如何製作程序草叢 ？

Hello，大家好，今天給大家帶來的是通過Megascans, SpeedTree & UE4製作程序草叢。

3D環境藝術家Karsten Malmquist向我們展示了如何創建實時的程序草，闡述了如何使用Megascans掃描的庫，結合SpeedTree創建草叢，並講解了如何設置草的著色器。

一、介紹

我是Karsten Malmquist，是瑞典Malmö的Ernst&Borg工作室的環境藝術家。我畢業於Malmö的遊戲開發學校The game Assembly，我曾在PortaPlay和Star Vault中《Mortal Online2》擔任實習生。

二、程序草叢項目

我已經在這個項目上忙活了好幾個周末。最初隻是為了一種景觀效果的嚐試，後來變成了更大的東西了。在這一點上，這更像是一個大項目的第一個“裏程碑”，我想程序生成一個完整的生物群落。對我來說，這幾乎就像在空氣中繪畫一樣，但是這個是3D的!

從Megascans 到SpeedTree工作流程

通常我的工作流程先是從瀏覽Megascans庫開始，因為，我想要知道哪些資產是可以使用的。在瀏覽時，我會劃分出哪些資產是可以開箱即用，哪些資產是可以通過再修改，然後變成我項目中的資產。在這種情況下，Megascans庫中有很多可以使用的草模型，但是，我看到它們的模型麵數比我想想中的還要密集，所以，我決定製作自己的草叢。

我清楚要自己製作草叢後，我開始收集Megascans中不同的草叢圖集，匹配SpeedTree製作合適的草叢。我之所以使用SpeedTree，是因為它提供了一種非破壞性的程序化工作流程，你可以在其中改變幾乎任何想法，而無需從頭重做。我使用Megascans的掃描圖集是因為，你可以嚐試許多不同的漂亮圖集作為素材，而不必花費大量時間製作高質量高模型。

在嚐試不同的草叢貼圖紋理時，我得出的結論是，單個草叢之間的間距越大，最終效果看起來會越好。當我草叢之間的間隔很緊密的時候，整個紋理隨著mipmap開始混合在一起，這樣就破壞了，草是由一根根細絲組成的錯覺。

為了在SpeedTree中創建草叢，我通常是從創建模型片開始，並將模型頂點放置在貼圖剪影頂部，並確保不同級別的LOD能夠分配到合適的三角形。我現在不太擔心最終的三角形數量，因為，我知道一旦我將草叢導入到Unreal Engine，結合整體效果，再次優化模型。

設置完模型LOD後，我可以開始製作草叢。為此，我首先使用 Zone節點來定義草生成的位置，然後連接一個包含我之前創建的模型片的Leaf Mesh節點。SpeedTree通常的工作邏輯是子節點跟隨著父節點生成，所以，這種情況下，葉子的模型片是在Zone節點創建的區域內生成的。

為了從整體上調整草叢，我修改了Zone節點，是為了確定模型片生成的位置，然後修改了Leaf Mesh節點以改變模型片的生成數量和方向。

選擇Zone節點後，我又轉到“Generation”選項卡，並調整“sweep”設置，以使草叢以圓形生成，以及調整“Number”設置，在更多區域能夠隨機生成。

選擇Leaf Mesh節點，我還調整了 “Generation” 選項卡下的草的數量，然後，向下轉到 “Local Orientation” 選項卡，更改了單個卡片的局部朝向。我個人建議嚐試不同的設置，看看它們的哪個效果會更合適。

在編輯草叢的時候，我還會考慮以下幾點：

1.整個草叢的大小範圍

2.這個草叢有多少模型麵數

草叢的大小範圍之間是相互影響的，是需要在引擎中生成一些實例地形來驗證的。為了提高性能，你也許希望草叢範圍大一些，以降低整體的資源開銷，但是，你肯定也不希望它們太大，以至於草叢在一些不平坦的地形，出現這種類似的情況（懸浮）。

模型片的數量會非常影響性能。因為，大量的模型麵數會導致大量Alpha通道的透支，這是非常昂貴的開銷。對於這個項目，我發現為了更好的效果，你可以額外的加一些模型麵數，把完全透明的部分沿著透明通道裁切掉空白的部分。如果你在SpeedTree中製作自己的植被，我同時建議您嚐試不同的模型麵數，以找到最好效果方案。

下麵是我的草叢現在在SpeedTree裏麵的樣子：

當我們在SpeedTree中製作好草叢後，它們就需要導入到虛幻引擎中了。在這一點上，我希望在整個場景中都可以看到草，而不是隻有一個區域有。當引擎中有草之後，我也會繼續在SpeedTree中做些調整，以便讓它們在引擎中看起來更好看。然而，在我回到SpeedTree之前，我想在Unreal Engine中設置一個適當的Shader，這樣我在改進草叢時，就不會被草地上那些奇怪的陰影分散注意力。

三、設置草地的Shader

通常將植被從SpeedTree導入Unreal Engine不會馬上看起來很好看，因為，你需要一個好的Shader來讓自己的植被看起來更好看。當然，在SpeedTree中也有一個選項，可以將現有的Material導出到Unreal中，但我發現，我需要一個比這個功能更全麵的解決方案。所以，我沒有使用導入默認的Shader，而是自己製作了這些功能:

1. 淡化效果，是基於草叢與相機的距離。

為了做到這一點，我使用了Per Instance Fade Amount這個節點，這個Shader節點可以設定視口與草之間實際漸弱量。為了使用這個節點，我必須用到一張草地貼圖，貼在地麵上，我用Landscape Material來做。打開Landscape Grass Type並將“Start Cull Distance”設置為低於“End Cull Distance”的值，將使Per Instance Fade Amount開始輸出，在草的Material中，實際每個草的數量，在它們距離Start Cull Distance更遠的時候就會漸弱。有了這些信息，我現在就可以調整草的整體不透明度，讓它在遠處是淡出的。

2. 增加法線貼圖的強度。

這將改善草光照在模型片上的效果，可以給人一種，每個草的光影是指向不同的方向的錯覺，而不是看起來像一整排扁平的草。我使用了一個Flatten Normal節點來實現這個效果。這個結果是根據你使用的法線貼圖而變化。理想情況下，你希望是草光影的指向是不同方向的，每個草都有不同的彎曲、扭曲和旋轉，就像它們在自然界中做的那樣。

3. 次表麵散射。

這個可以使草看起來更加真實的最重要的部分之一。我發現，使用albedo作為次表麵顏色，對草來說效果很好，我還用頂點顏色弱弱的加暗草叢根部的區域，以便使草叢能夠更好地與地表紋理得到混合。

4. 顏色變化也很重要。

以擺脫草的顏色過於均勻，過於人為化。我在我的Shader中使用了小規模和大規模兩種變化，小規模變化由一個名為Speed Tree Color Variation的節點組成，它為每個草提供隨機顏色。大規模的顏色變化，是要在世界空間 XY中平鋪一個紋理蒙版，我用它來實現兩種顏色之間的變化。

5. 高度變化

是我最喜歡的Shader功能之一，因為它可以讓草看起來非常蓬鬆。我通過沿著法線的頂點偏移，來實現這個效果。由於我不想偏移草根，所以，我將頂點顏色刷在靠近地麵的頂點上，好實現根部沒有偏移效果。為了獲得變化，我在世界空間中平鋪一個蒙版，來指定那些草叢要偏移。

這裏是所有Shader的視覺彙總：

四、設置Landscape Material

Landscape Material是這個項目中，將所有東西鏈接在一起的關鍵部分，它使我能夠從根本上，以高層次的方式，來生成程序植被。Material本身也非常簡單，它隻有兩層，一層叫“Grass”，另一層叫“Grass High”，我可以在Landscape這個環節將它畫出來。用這些Landscape通道輸出節點，再鏈接到不同的草節點。Grass層將產生一個較短的草，而Grass High層將產生一個更高的草。此外，我在整個Landscape的世界空間 XY 中使用蒙版平鋪在 Grass 圖層上生成雜草和花朵簇。最後，為了減少過度繪製，我通過簡單地從各自的蒙版中減去高草蒙版來確保雜草、花朵和矮草不會在高草圖層上生成。

五、優化

我發現在優化任何類型的植被（包括草）時，優化的透支開銷是最重要的一個問題。因為我想要一個漂亮的特寫渲染，所以，我決定增加模型片，使草叢更密集。例如，如果我的目標想要達到 60 FPS，我就不會這樣做。對我來說在這個項目上，我的 PC使用GTX 1060，以 40-45 FPS的速度運行1080p。所以，為了提高性能，我會減少草叢中模型片的密度（幸運的是，這是一個非常簡單的解決方法，因為我在SpeedTree中使用了程序工作流），並在虛幻引擎中也能優化相對距更遠的草。

六、結論

回想起來，這個項目是一次非常有趣的經曆，我從中學到了很多東西。我認為最大的挑戰是弄清楚如何在SpeedTree中製作看起來不錯的草叢，並結合在虛幻引擎中去完善這個結果。在我看來，弄清楚要使用什麼樣的貼圖紋理，以及設置一個好的著色器，是兩個關鍵的裏程碑。

優化也是一個很大的挑戰，雖然我嚐試了不同的方法，並得出了一些結論，很明顯如何製作優化精良的植被，還是有很多東西需要學習的，我希望在繼續這個項目的過程中大家也能學到一些東西。

感謝你的閱讀，我希望你覺得這很有趣。如果你有任何問題，請隨時將它們發送給我！

- End -