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GDC 笔记 - Terrain Rendering in 'Far Cry 5'

育碧 Far Cry 5 地形渲染的 Talk。

原文链接:GDC Vault - Terrain Rendering in ‘Far Cry 5’

地形 Heightfield 渲染。

地图大小是 10km x 10km,分辨率 0.5m,地形按照四叉树管理,整个地形被划分成 2km x 2km 的地块,这些地块永久可见。

上面说的 2km x 2km 的地块被按照四叉树划分成很多 Tile,这些 Tile 按照 LOD 以及与玩家的距离进行 Steaming,磁盘上存储的 Tiles 数量上万,但是实际上运行时加载进内存的 Tiles 数量大概在 500 左右。

所有四叉树节点所需要的 Textures 会同步被 Streaming 进 Texture Atlases,节点中会记录对应 Atlases 中的位置。纹理格式:

  • Heightmap: R16_UNORM, 129x129
  • World space normal map: BC3, 132x132
  • Baked albedo map: BC1, 132x132

地形的渲染大概这么几步。

首先是四叉树节点的 Streaming,首先在 LOD0 找到离玩家最近的一圈节点。

切换到下一级 LOD,按更大范围找四叉树中对应的节点。

以此类推,直到最后一级 LOD,前面说到了,最后一级 LOD 对应的四叉树节点是永远被加载的。这里只演示了 3 级 LOD,实际上 Far Cry 5 里有 6 级。

最后组合起来,就是需要 Streaming 的所有节点。

然后需要按照视角做剔除。

接下来需要按照离相机的距离做一次 Batch,同一组的节点使用相同的 Shader,距离越远,使用的 Shader 越简单。

上面的渲染流程可以用 CPU 实现,也可以走 GPU-Driven 路线,区别就是下面这部分在哪做。

GPU-Driven 的优势,BalaBala ……

需要的 GPU 数据结构及特点。

四叉树对应的 GPU 实现就是带 Mips 的纹理,Terrain Quad Tree 也是一样,是一张 160x160 的纹理,整个纹理有 6 级 Mips,每个节点对应纹理中的一个 Texel。

Terrain Quad Tree 纹理的格式是 R16_UINT,存的是 16 位的 Index,用于索引保存在 Node Description Buffer 的真正的节点数据,Node Description Buffer 中的每个节点数据保存了 Min/Max Height、LOD Bias、Atlas ID 等信息,最终按位编码成 2 个 Uint。

每当节点 Streaming In / Out 的时候,需要对 Node Description Buffer 里的数据进行填充 / 移除。

Terrain Node List 就是一个节点 Id 的列表,表示可能被渲染的节点(剔除前)。Terrain Node List 需要每一帧遍历 Terrain Quad Tree 来生成。

Terrain Node List 的生成使用 Compute Shader,分为多个 Stage,每个 Stage 处理一级 LOD,每个 Stage 中由一个线程来处理当前 LOD 的一个节点,将其划分成子节点,填充到 Terrain Node List 中。

Terrain Node List 的初始状态是用 LOD 0 计算,直接根据当前 Terrain Quad Tree 的 Mip 0 计算出一组 NodeID。

进入下一个 Stage,读取上一个 Stage 的结果(Temp A),构造两个新的 Buffer,Temp B 和 Final,如果上一级 Mip 中的节点可以被细分(在这一级 Mip 中四个子节点被完全加载)就将其细分成 4 个节点,并存入 Temp B,如果不能被细分就直接放入 Final。

有些节点的子节点没有被完全加载,这种也直接放入 Final。

清空 Temp A,交换一下 Temp A 和 Temp B 的角色,进入下一个 Stage。

以此类推完成 Terrain Node List 的生成。每个 Pass 对应一个 Stage,每个 Pass 需要两次 Compute Shader 的 Dispatch,因为需要统计每个 LOD 中节点的数量,来 Feed 下一个 Pass。

每一帧都要计算一个 160x160 的 Terrain LOD Map 纹理,格式为 R8,每个 Texel 代表一个 Sector,保存了这个 Sector 对应的 LOD。这张纹理的作用是用于处理不同 LOD 之间的接缝。这里有些部分为 0 是因为 Sector 为空,不是 LOD 0。

计算 Terrain LOD Group 的方法也很简单,拿着 Terrain Node List 直接照填就行了。

最后是 Visible Render Patch List,由一个 Indirect Args 和一组 Patch 构成,Patch 里保存了 Draw 所需要的信息。最终下发 DrawCall 后每个 Patch 会被渲染成一个 16x16 的 Grid。Visible Render Patch List 的生成就是拿着 Terrain Node List 继续做细分与剔除,最终完成。

每个节点会被细分成 8x8 个 Patch,每个 Patch 会被渲染成 16x16 的 Grid。每个 Compute Shader 线程负责处理一个 Patch,其中每个 Patch 都要做视椎体剔除、遮挡剔除、背面剔除、计算 LOD 过渡。

Culling 的步骤与 SIGGRAPH 2015 的一篇文章 GPU-Driven Rendering Pipelines 里面介绍的类似。

遮挡剔除用的是一个低分辨率的深度 Buffer,即 Conservative Depth,主机上和 PC 上的来源不同。

生成 Mips 来适应不同大小的物体。

对每一个 Patch,首先要拿到它的包围盒,然后投影到屏幕空间,在级联 Mips 中找到覆盖了这个范围的采样点,然后进行保守的剔除。

背面剔除需要离线生成一张 8x8 BC3 的 Patch Cone Texture,每个节点 Build 一张这个纹理。对每一个 Patch,先对每一个三角形找到其 World Space 下的 Normal,然后对这些 Normal 在球面空间计算出一个最小的圈,从而形成一个 Cone。Cone 最终体现成中心的一根 Normal 向量和一个半角,被保存到 Patch Cone Texture 的一个 Texel 中。

对每一个 Patch,按照上面的公式来计算是否要被剔除,保守起见,不光要拿相机方向做这个判断,还需要拿相机到 Patch 四个角的四个向量做计算,防止误剔除。

每个 Patch Description 中包含了一个 LOD Transitions 信息,这个信息是当前 Patch 四个方向上与相邻 Patch 的 LOD 差值,由采样 LOD map 得到。

上面这些步骤的计算时间。

Vertex Shading。

不同 LOD Mesh 之前需要额外处理接缝。

前面已经说过 Patch 中保存了相邻 Patch 的 LOD 差值,可以利用这一点来进行处理。上面几张图是 LOD 差值为 1 的情况,两个顶点一组,把第二个顶点直接移动到第一个顶点的位置,从而达到过渡的目的。

差值为 2 的情况下,一次处理四个顶点,后三个顶点全部移动到第一个顶点的位置。

Far Cry 5 里有地形挖洞的需求,实现是存了 1Bit 的挖洞数据在 BC1 的 Atlas Albedo Map 里。

通过在 Vertex Shader 里输出 NaN 来完成 Vertex 的 Cull,号称这样更省点。

干掉一个点会影响周围 8 个点,所以开洞的分辨率是地形分辨率的一半,即 1M。

Shading,主要讲地表渲染。

Terrain Shading 跟 2017 GDC 上的 Ghost Recon 分享类似。

之前说的 Terrain Quad Tree 是带着 Texture Payload 的,他们分别是 Height、Normal、Albedo、Patch Cone Map、Color Modulation Map、Splat Map。

远处的 Shading 可以直接用 Normal、Albedo 搞定,近处的用 Splat Map(就是我们常说的 IdMap)。Splat Map 保存了一个 8-Bit 的 Id,索引了 Material Buffer 中的一个单位,里面保存了地表的 Albedo、Normal、Height 等纹理在 Texture Array 中的索引,以及 Rotation、Tiling、Burning 等一些其他参数。

这里要注意的是 Splat Map 的位宽是 8,意味着最多可以有 256 种地表材质,但是这些材质的纹理是不可能全部加载进内存的,这些地表材质的纹理会动态地被拼成 32 层的 Texture Array 加载进内存,然后再按照 Material Buffer 中保存的 Id 进行索引,所以这意味着一个地形节点最多使用 32 种地表材质。

经典的 IdMap 地表渲染,先拿 World Position 算 UV,然后采样 Splat Map 找到材质参数,然后采样 Texture Array 完成渲染。

IdMap 算法使用的是双线性插值,所以一个点需要进行 4 次 Splat Map 的采样,然后还要采 3x4 次 Texture Array,所以最终是 16 次采样。

16 次采样还是略微昂贵了点,Far Cry 5 也像 Far Cry 4 一样用了 Virtual Texture(对应 UE 里的 Runtime Virtual texture)来缓存。

一些参数信息。

可以把采样数降低到 4 次(不算 Physical Texture 更新)。

一些 Physical Texture Page 渲染的参数,一帧计划最多更新 6 个 Page。每个 Page 大小为 256x256 Texel,还有 4 Texel 的 Border。跟主流做法一样,还会用 Compute Shader 做一次 BC 格式的异步压缩,最终算下来 GPU 开销大概是每帧 1ms。

为了计算哪些 Page 需要更新,回读 PageId 到 CPU 是必不可少的,为了保持速度够快,限制了 RT 的大小。

使用 VT 的一大好处就是方便多种材质混合,上图中就有 Road、Decal、Terrain 几种材质。

这是一个 Overdraw 的可视化,可以看到 decal 的开销还行。

崖壁的渲染。

老生常谈的崖壁渲染,上面标记成红色的就是崖壁。通常地形的相关纹理都是从俯视角拍的,UV 坐标对应的都是 World Position 的 (x, y),而崖壁这种地貌在地形的纹理上对应的 Texel Resolution 就很小,这就会导致问题。

去掉 Debug Draw 后的效果,看起来就很糟糕,拉伸得很严重。

处理的办法是比较经典的 Tri-Planar Mapping,即使用世界坐标 xy、xz、yz 在三个投影方向上代替 UV 进行采样,然后再使用 Normal 对这三次采样结果进行混合。图中标记成红色和蓝色的崖壁是按照 x 轴、y 轴投影的结果。

这会导致采样数变成原来的三倍,这种做法是比较 Expensive 的。

另外一个问题就是崖壁通常离玩家比较远,一旦离远了,纹理的 Tiling 就会变得很明显,看起来重复度会很高。

去掉 DebugDraw 之后的效果,还是比较明显的。

做法是调整 UV Space 使其在 Screen Space 中分配更均匀,后面说了实际上是依靠离相机的距离对 Tiling 进行调整。

调整之后的效果。

因为依赖距离进行调整,要对材质做一次 Blend,又导致采样翻倍了。

一些 Cheaper 的崖壁替代方案以及问题。

团队想到一种 Crazy 的方案,使用随机 Blending 替代 Alpha Blending,从像素级别上看,随机 Blending 效果是不对的,但是平均来看,是大致正确的。

于是崖壁的 Shading 就不再每个像素都采多次 Splat Map 了,而是每个像素随机选择,然后只采一次 Splat Map,采样数直接降低到 4,但是效果不太行。

Noise Function 的选择会直接决定质量,无论是 Screen Space 还是 World Space 的 Noise Function,都有优劣。

最终选了 NVIDIA 的一篇论文中的算法。

但是不幸的是噪点还是太多了,于是团队开始尝试将随机 Blending 和 Alpha Blending 结合起来。

对于远处的崖壁,有前面说的 Tiling 的问题,所以就按之前说的,在两个材质中各随机一次,然后再做 Alpha Blending,这样采样数就变成了 8。

DebugDraw 下看,其实还是有噪点的。

但是关了 DebugDraw 之后,感觉可以接受。

考虑到崖壁接近相机的情况,在这个距离下,其实不需要下面的材质混合,但是随机选一个方向作为最后的结果效果不太行,所以还是做了完整的 Tri-Planar 混合。

这里采样数应该写反了,应该是近处 12,远处 8。

实测下来没发现太大的问题,但是依然不完美。这种随机 Blending 中的任何噪点带来的变化实际上都是材质的变化(Splat Map 采的是 Material Id),拉近了看实际上是能看见材质的细微变化的。

地形之外的一些东西,主要是贴花和地形相关的 Mesh。

Far Cry 5 的贴花系统是基于 VT 的,团队改进了这套贴花系统,并称其 Terrain Displacement Decals。就是在传统 VT 贴花的基础上,加了贴花对地形 Mesh 的影响。

放置贴花的时候,贴花 Mesh 会附着在地形上,Pixel Shader 阶段直接采地形的 VT 就可以了,因为贴花的纹理已经被画在 VT 上了。

Displacement Mesh 还没开的时候,其实就能看见传统 VT 贴花的效果了,只是开了之后贴花物体的形状会更加清晰(好像看不出来 ……)。

优缺点,主要缺点是由于不是 Tessellation,所以需要人摆,当然也可以程序化生成。

崖壁会走程序化生成管线生成 Mesh,看起来会比高度图渲染的崖壁更真实。

另一个例子。

屏幕空间 Shading。

整个屏幕空间通常能看见的东西有这么几种,每一种都是不同的 Shading Flavors。因为彼此需要混合,最终有 31 种 Shader 变体。有一些 Shader 变体的开销会比其他的 Expensive 很多,为了保持 GPU 效率,需要保证对每一块地形都使用 Cheapest 的 Shader 变体。

最简单的方法就是根据 Patch 选择 Shader ID,但是这种做法并不一定最优因为 Patch 的范围其实还挺大的。

最终决定按屏幕空间的 Tile 来进行 Shader ID 的选择。

在 Geometry Pass 中使用 MRT 输出一张 8Bit 的 Classification RT,其中保存了 5 种 Shading Flavors 的 Bitmask。

接下来是一个 Full Screen 的 Compute Pass 被称为 Terrain Classification Pass,读取前面的 Classification RT,按照 8x8 的 Tile 来合并具有相同 Shader Id 的 Tile,并输出 Indirect Args 给下一步使用。

然后就是渲染 G-Buffer。

整套流程的 Overview。

采样 Terrain 纹理的过程是先从深度 Buffer 中取出 World Position,然后通过 Terrain Sector Data 来获取具体的纹理信息。

Terrain Sector Data 是一个 160x160 的 64Bits 的 Buffer,对应 160x160 Sectors,每一个单元保存了这个 Sector 需要的 Atlas Texture Ids,拿 World Position 在 Buffer 里找就能拿到对应信息。

在 Shading Pass 需要用到 Texture 导数(类似 ddx、ddy?只不过是 Texture 空间的)。因为地形相关的纹理的 UV 其实都是 World Space Position 的线性映射,所以只要求出 World Space Position 的导数,就可以求出 Texture 导数。

对于屏幕空间的像素(x, y),先从深度获取 World Space Position,然后拿到 World Space Normal,用拿到的 Normal 构建一个平面,拿着相机到像素(x, y+1)的射线与平面求交,交点就是屏幕空间 World Space Position 在 y 方向上的导数,同理,拿 (x+1, y)来求 x 方向上的导数。

刚刚说过崖壁等会替换成特定的 Mesh,这种情况下就不再适用了。

解决方法是在 Terrain Geometry Pass 中用 MRT 输出一张 Normal 纹理。

然鹅 Normal 会被插值,插值之后可能就不对了。

解决方法是把三角形的 Normal 也输出到 RT 里,然后把两个 Normal 编码到 32Bit 里,每个 Normal 16 Bits。

最终流程。

优缺点。

性能。

一些基于地形的效果。

回顾下前面的 Terrain Scetor Data,只要有 World Position,就可以拿到地形上任意一个点对应的纹理信息(Height、Albedo、Normal、Splat 等)。

其中一个作用就是在树根的 Shading 里,可以在 Vertex Shader 中采样地形的高度图来做与地表的混合。

碎石也用了类似的处理。

最后一级 LOD 的草也用了地形高度图,比较近的草需要比较高的渲染精度,但是离远了就直接换成与地形高度、颜色匹配的 Quads。

这些草的生成是使用 Compute Shader 在每一帧去采样地形材质的类型、Height、Color、Normal 等,然后生成 Indirect Args,最后一次 Indirect Draw 完成绘制,可以看到开关后的对比。

总结。

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