Realtime Grass Rendering on Mobile Platform| 移动端实时草地渲染

有很多很多不同的技术了。

题图是一个人的demo，Real-Time Grass Rendering，跟我没啥关系

要渲草的话，OpenGL ES2.0/DX9及以下就不用考虑了。至少要支持GPU Instancing，有Compute Shader更好。

理想平台：OpenGL ES3.1/Metal/Vulkan

1. Rendering Countless Blades of Waving Grass

GPU Gem上的文章，链接在这里

主要思路：

1. 贴图

一张alpha-test的贴图

2. 插片
3. 风

为了避免变形扭曲和减少drawcall，定点要记录每个草的中心位置，根据中心位置做随机偏移

主要意义在于提出了草插片，不过其他都没啥考虑。

 

2. Rendering Grass in Real Time with Dynamic Lighting

2006年SIGGRAPH的文章，戳这里

主要思路如下：

1. LOD

第一级是几何体草，第二级是插片草，第三级是平面图

第一级草就是实时生成的，8个面，alpha-test的贴图

中距离是插片，用了一个bidirectional texture funtion，定义了五个灯光和两个视角方向的贴图，中间的插值spherical barycentric

2. 密度

用了一张density-map

3. 阴影

近距离的用shadowmap太费了， 所以预先烘焙了一张occluder，每个草旁边一个圆柱体，用光线去采样

思路上可以借鉴的：
  • LOD
  • 插片BTF
  • density map的思想
没啥意义的：
  • alphatest草，mobile上毕竟太费了
  • 实时投影计算，预先计算的话也太耗了，128*128的occuluder话，单通道一张图ETC5压缩，2kb，10k草就是20mb啊，而且drawcall没法batch

3. Rendering Fields of Grass using DirectX11 in GRID Autosport (RFGinAutosport)

2014年的游戏，PS3/XBox 360平台。

主要要点如下：

1. 密度与颜色控制

美术制作densitymap，rgb记录颜色，alpha记录高度。整个地图一张2k

2. 位置生成

主相机上方架一个垂直向下正交的相机拍地面，渲RenderTexture，用这张RT，Compute Shader取每个像素作为草的底坐标。当然会做一些随机，根据相机视野做一下裁剪。还会生成LOD。

Compute Shader输出草信息的struct到一个AppendStructuredBuffer。这个buffer交给shader，用instanceID取信息。一个trick是drawindirect时候，避免高instance低顶点数，CPU里调相当于unity的DrawProcedurallyIndirect渲染

3. 几何信息

hardcode进vertexshader的（为什么不是geom-shader呢？）

4. 阴影

screen-space shadow去采样投影，一个instance一个投影，不考虑一棵草被部分投影了

5. 变形

车轮轧过应该草高度会降低，变形方法是：渲一个F32高度图，每帧更新车轮位置，然后放进生成阶段，compute shader里计算高度

优点：
  • 没有alpha-test，mobile上可以考虑
  • 美术流程完整
  • 裁剪和LOD非常有新意
缺点：
  • 没啥，这个笔者基本在unity移动端能复现
  • 没考虑地形起伏，笔者经验是要做高度差值
  • 顶视相机连续移动的话，采样率高于densitymap分辨率，单草还好，如果两个densitymap混合 一个草一个石头 就会抖动

4. ADAM

Unity官方demo，asset store有下载

和RFGinAutosports比较相似
  1. 直接用的unity terrain系统，不过terrian分成了一个个patch，每次会渲染主相机周边一些patch上的草，没有扇面裁剪
  2. densitymap之类的是写进terrain的control map的，有意思的是每层数据可能就2-4位，用mask编码到16位里
  3. 和RFGinAutosports一样，用compute shader生成草的位置信息
  4. 不过不是渲染草blade，而是AlphaToMask的插片草，不用geom shader
优点：
  • density-map采样比较稳定，因为直接是按patch了
  • control-map用掩码编码成16位的方式比较有意思
  • 美术流程比较完整
缺点：
  • 没考虑移动端，alpha-test会挂

5. 利用GPU实现无尽草地的实时渲染

知乎上的文章

1. LOD

三级LOD按面数分，hardcode进geom shader

2. 贴图

AlphaToMask贴图

3. 位置生成

CPU按mesh顶点生成草位置

4. 风

正弦顶点运动，高度相关

优点：
  • 考虑了LOD，但这个lod基本没啥用
缺点
  • 其实只有渲染用了gpu，位置生成没用gpu
  • alphatest在移动平台不太能接受
  • 没考虑美术流程
  • 只是花拳绣腿没啥用

6. Zelda

很厉害就是了，不知道怎么做的

7.  自己的实践

  1. terrain系统自带detail数据，这样就可以直接美术刷density，渲染时候再换成其它mesh
  2. 直接用低模型草。另外两种方法呢，alpha-test移动端比较费，要不hardcode进vertex/geom shader美术又不好控制
  3. 地形有起伏的话，高度要插值。如果compute shader插得话，bilinear interpolation就有很好的效果了。
  4. 我的经验是，就算是用5.5，没有compute shader，A9上也完全无压力。

参考文献：

Rendering Grass in Real Time with Dynamic Lighting

Rendering Countless Blades of Waving Grass

Rendering Fields of Grass using DirectX11 in GRID Autosport

利用GPU实现无尽草地的实时渲染

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