Mesh View：简化的Clipmap地形渲染

Mesh View Terrain Rendering

潘李亮

2010/6/19

本文借鉴目前的地形渲染和地形数据管理调度的解决方案，提出一种简单易实现的无限大地形的数据调度和加载方案。

现有方案

John Camark 的id-tech5 的技术demo中给我们展示了一个无比细致的室外场景，该演示使用了id-software的最新技术，Mega-Texture, Mega Textue严格的来说是一种纹理的调度和管理方案，但是Mega-Texture最早的起源于SGI的Clipmap[参考文献1]技术，而Clipmap技术经过多年的发展，已经被成功移植到GPU上[参考文献2]。该方案是一个非常有效的管理和调度超大规模地形和影像数据的方法。GPU-Base clipmap的基本思想是将高度图以clipmap的方式进行管理，并在cpu端生成14个block的vertex-buffer，这些vertex buffer中只保存(x,y)的坐标，高度z则在vertex shader中通过采样clipmap来获取。生成14个block的原因一方面在于LoD的考虑，另一方面方便进行视锥裁剪。

Mesh View

考察现在DX9.0c/DX10.1/DX11的硬件特性，displacement map早已经绝对的主流配置，这意味着使用GPU的clipmap技术完全已经是具有实用价值的。

上一节中提到的Voxel技术其实可以认为是通过一个规则的Mesh, 该Mesh如下图

红色的线为视锥的区域，绿色的线组成一个网格，计算出这个绿色网格中每一个点的高度值，最终的结果，就是这个地形渲染的一个View。

结合Voxel和Clipmap，我们将DEM保存成R32F格式的float texture，使用一个或者多个任意的Mesh，并把这些Mesh放在以视点为中心的位置，通过这些Mesh上(x,y)的值来对DEM进行采样，生成一个全新的Mesh。只要这些Mesh满足远离中心位置的越稀疏，靠近中心越稠密，就能形成LoD。

数据调度和渲染

与clipmap算法不同，这里我们采用更简单的方法，除了Clipma Pyramid以外的数据，这些数据的每一块都带有自己的位置和大小信息，各个块之间允许有重叠现象，甚至每个块的大小还可以不一样，这点非常符合卫星遥感图像的需求，遥感图像通常不会严格的重合和无重叠。

根据硬件能力不同，同一个时刻，只保存视点周围3x3，或者 5x5个左右的地形块。这些地形块组成一个地形块缓冲池。根据视点的位置和移动趋势，动态的加载和卸载这个池中的数据。在渲染的时候，vertex shader会判断每一个输入的点，根据缓冲池中的地形块的位置和大小信息，决定从哪一块中进行采样。伪代码如下：

PS_INPUT main( VS_INPUT input ){

PS_INPUT output = (PS_INPUT)0;

float3 _Pos = float3(CameraPos.xy , 0.0) + input.Pos.xyz;

Pos = mul( matWorld , float4(_Pos ,1) ) .xyz ;

float _h = 0.0f; float div = 0.0f;

for(int i = 0 ; i < nDEM.x ; i ++ ){

if( PtInRegin(_Pos , DEMRegion[i] ) {

float w = DEMRegion[i].z - DEMRegion[i].x;

float h = DEMRegion[i].w - DEMRegion[i].y;

float _x = _Pos.x - DEMRegion[i].x;

float _y = _Pos.y - DEMRegion[i].y;

float2 texCoord = float2( _x /w , _y / h ) ;

float _v = DEMTextures[i].SampleLevel(DefaultClampSampler, texCoord , 0 ).x;

if(_v > 0 ){ div += 1.0f; _h += _v; }

}

}

if(div > 0.0f) output.z = _h / div ; //计算高度

else output.z = 0.0f; //该点不落在任何一块地形上，给个默认值

//….. 其它运算

}

对于纹理数据，可以用同样的算法，唯一不同之处在于，vertex shader的采样是displacement map，而pixel shader中则是texture map。下图是渲染结果，采用的是一个圆形的Mesh.

优势

本方案的最大优势在于实现简单，对数据的限制比较少，并且能用统一的算法对DEM和影像进行处理和渲染。由于采用的Mesh本身可以不存在裂缝，因此在任何情况下，该算法都不会产生裂缝，另外，因为相对clipmap中的block，我们采用的是mesh，这更符合一般渲染引擎的场景管理算法，在需要把地形系统与其它的模块进行整合的时候将会变得非常的自然。同样的，block的裁剪也可以简单的使用已有的场景管理器对mesh的裁剪算法而不需要专门实现针对地形块的裁剪版本。

优化以及后续工作

我们考虑如何减少纹理数量的问题，我们知道D3D9最多只支持8个纹理， 而一般我们至少要在缓冲池中保存9个以上的纹理，这意味着如果不减少纹理的数量，我们将无法使用d3d9来实现该算法。我们可以考虑动态的将一个大纹理划分为1024x1024的区域，每一个地形块或者影像块加载的时候都被重采样成该分辨率的，使用LockRect来更新某个区域。一般主流硬件至少都支持4096x4096分辨率（大部分支持8192x8192）。采用该方法，只需要一个4096x4096的纹理，就能满足一个4x4缓冲池的需求。

另外，Direct3D 10支持Texture Array。采用该方法，也能减少纹理个数的使用。

如果地形系统需要支持高级光照，那么如何生成地形的法向量，也是一个需要考虑的问题，我们知道通过对高程的差分运算，可以得到高程的法向量，我们可以在Vertex shader或者geomerty shader中来完成这个动作，不过考虑到法向量需要进行平滑运算，在计算的时候，应该取改点周围的点来进行差分运算，以保证法向量的连续和平滑。

此外，如何减少纹理采样次数，如何减少dependent vertex fetch的次数，也是一个非常值得优化的地方。