如何制作程序草丛 ？

Hello，大家好，今天给大家带来的是通过Megascans, SpeedTree & UE4制作程序草丛。

3D环境艺术家Karsten Malmquist向我们展示了如何创建实时的程序草，阐述了如何使用Megascans扫描的库，结合SpeedTree创建草丛，并讲解了如何设置草的着色器。

一、介绍

我是Karsten Malmquist，是瑞典Malmö的Ernst&Borg工作室的环境艺术家。我毕业于Malmö的游戏开发学校The game Assembly，我曾在PortaPlay和Star Vault中《Mortal Online2》担任实习生。

二、程序草丛项目

我已经在这个项目上忙活了好几个周末。最初只是为了一种景观效果的尝试，后来变成了更大的东西了。在这一点上，这更像是一个大项目的第一个“里程碑”，我想程序生成一个完整的生物群落。对我来说，这几乎就像在空气中绘画一样，但是这个是3D的!

从Megascans 到SpeedTree工作流程

通常我的工作流程先是从浏览Megascans库开始，因为，我想要知道哪些资产是可以使用的。在浏览时，我会划分出哪些资产是可以开箱即用，哪些资产是可以通过再修改，然后变成我项目中的资产。在这种情况下，Megascans库中有很多可以使用的草模型，但是，我看到它们的模型面数比我想想中的还要密集，所以，我决定制作自己的草丛。

我清楚要自己制作草丛后，我开始收集Megascans中不同的草丛图集，匹配SpeedTree制作合适的草丛。我之所以使用SpeedTree，是因为它提供了一种非破坏性的程序化工作流程，你可以在其中改变几乎任何想法，而无需从头重做。我使用Megascans的扫描图集是因为，你可以尝试许多不同的漂亮图集作为素材，而不必花费大量时间制作高质量高模型。

在尝试不同的草丛贴图纹理时，我得出的结论是，单个草丛之间的间距越大，最终效果看起来会越好。当我草丛之间的间隔很紧密的时候，整个纹理随着mipmap开始混合在一起，这样就破坏了，草是由一根根细丝组成的错觉。

为了在SpeedTree中创建草丛，我通常是从创建模型片开始，并将模型顶点放置在贴图剪影顶部，并确保不同级别的LOD能够分配到合适的三角形。我现在不太担心最终的三角形数量，因为，我知道一旦我将草丛导入到Unreal Engine，结合整体效果，再次优化模型。

设置完模型LOD后，我可以开始制作草丛。为此，我首先使用 Zone节点来定义草生成的位置，然后连接一个包含我之前创建的模型片的Leaf Mesh节点。SpeedTree通常的工作逻辑是子节点跟随着父节点生成，所以，这种情况下，叶子的模型片是在Zone节点创建的区域内生成的。

为了从整体上调整草丛，我修改了Zone节点，是为了确定模型片生成的位置，然后修改了Leaf Mesh节点以改变模型片的生成数量和方向。

选择Zone节点后，我又转到“Generation”选项卡，并调整“sweep”设置，以使草丛以圆形生成，以及调整“Number”设置，在更多区域能够随机生成。

选择Leaf Mesh节点，我还调整了 “Generation” 选项卡下的草的数量，然后，向下转到 “Local Orientation” 选项卡，更改了单个卡片的局部朝向。我个人建议尝试不同的设置，看看它们的哪个效果会更合适。

在编辑草丛的时候，我还会考虑以下几点：

1.整个草丛的大小范围

2.这个草丛有多少模型面数

草丛的大小范围之间是相互影响的，是需要在引擎中生成一些实例地形来验证的。为了提高性能，你也许希望草丛范围大一些，以降低整体的资源开销，但是，你肯定也不希望它们太大，以至于草丛在一些不平坦的地形，出现这种类似的情况（悬浮）。

模型片的数量会非常影响性能。因为，大量的模型面数会导致大量Alpha通道的透支，这是非常昂贵的开销。对于这个项目，我发现为了更好的效果，你可以额外的加一些模型面数，把完全透明的部分沿着透明通道裁切掉空白的部分。如果你在SpeedTree中制作自己的植被，我同时建议您尝试不同的模型面数，以找到最好效果方案。

下面是我的草丛现在在SpeedTree里面的样子：

当我们在SpeedTree中制作好草丛后，它们就需要导入到虚幻引擎中了。在这一点上，我希望在整个场景中都可以看到草，而不是只有一个区域有。当引擎中有草之后，我也会继续在SpeedTree中做些调整，以便让它们在引擎中看起来更好看。然而，在我回到SpeedTree之前，我想在Unreal Engine中设置一个适当的Shader，这样我在改进草丛时，就不会被草地上那些奇怪的阴影分散注意力。

三、设置草地的Shader

通常将植被从SpeedTree导入Unreal Engine不会马上看起来很好看，因为，你需要一个好的Shader来让自己的植被看起来更好看。当然，在SpeedTree中也有一个选项，可以将现有的Material导出到Unreal中，但我发现，我需要一个比这个功能更全面的解决方案。所以，我没有使用导入默认的Shader，而是自己制作了这些功能:

1. 淡化效果，是基于草丛与相机的距离。

为了做到这一点，我使用了Per Instance Fade Amount这个节点，这个Shader节点可以设定视口与草之间实际渐弱量。为了使用这个节点，我必须用到一张草地贴图，贴在地面上，我用Landscape Material来做。打开Landscape Grass Type并将“Start Cull Distance”设置为低于“End Cull Distance”的值，将使Per Instance Fade Amount开始输出，在草的Material中，实际每个草的数量，在它们距离Start Cull Distance更远的时候就会渐弱。有了这些信息，我现在就可以调整草的整体不透明度，让它在远处是淡出的。

2. 增加法线贴图的强度。

这将改善草光照在模型片上的效果，可以给人一种，每个草的光影是指向不同的方向的错觉，而不是看起来像一整排扁平的草。我使用了一个Flatten Normal节点来实现这个效果。这个结果是根据你使用的法线贴图而变化。理想情况下，你希望是草光影的指向是不同方向的，每个草都有不同的弯曲、扭曲和旋转，就像它们在自然界中做的那样。

3. 次表面散射。

这个可以使草看起来更加真实的最重要的部分之一。我发现，使用albedo作为次表面颜色，对草来说效果很好，我还用顶点颜色弱弱的加暗草丛根部的区域，以便使草丛能够更好地与地表纹理得到混合。

4. 颜色变化也很重要。

以摆脱草的颜色过于均匀，过于人为化。我在我的Shader中使用了小规模和大规模两种变化，小规模变化由一个名为Speed Tree Color Variation的节点组成，它为每个草提供随机颜色。大规模的颜色变化，是要在世界空间 XY中平铺一个纹理蒙版，我用它来实现两种颜色之间的变化。

5. 高度变化

是我最喜欢的Shader功能之一，因为它可以让草看起来非常蓬松。我通过沿着法线的顶点偏移，来实现这个效果。由于我不想偏移草根，所以，我将顶点颜色刷在靠近地面的顶点上，好实现根部没有偏移效果。为了获得变化，我在世界空间中平铺一个蒙版，来指定那些草丛要偏移。

这里是所有Shader的视觉汇总：

四、设置Landscape Material

Landscape Material是这个项目中，将所有东西链接在一起的关键部分，它使我能够从根本上，以高层次的方式，来生成程序植被。Material本身也非常简单，它只有两层，一层叫“Grass”，另一层叫“Grass High”，我可以在Landscape这个环节将它画出来。用这些Landscape通道输出节点，再链接到不同的草节点。Grass层将产生一个较短的草，而Grass High层将产生一个更高的草。此外，我在整个Landscape的世界空间 XY 中使用蒙版平铺在 Grass 图层上生成杂草和花朵簇。最后，为了减少过度绘制，我通过简单地从各自的蒙版中减去高草蒙版来确保杂草、花朵和矮草不会在高草图层上生成。

五、优化

我发现在优化任何类型的植被（包括草）时，优化的透支开销是最重要的一个问题。因为我想要一个漂亮的特写渲染，所以，我决定增加模型片，使草丛更密集。例如，如果我的目标想要达到 60 FPS，我就不会这样做。对我来说在这个项目上，我的 PC使用GTX 1060，以 40-45 FPS的速度运行1080p。所以，为了提高性能，我会减少草丛中模型片的密度（幸运的是，这是一个非常简单的解决方法，因为我在SpeedTree中使用了程序工作流），并在虚幻引擎中也能优化相对距更远的草。

六、结论

回想起来，这个项目是一次非常有趣的经历，我从中学到了很多东西。我认为最大的挑战是弄清楚如何在SpeedTree中制作看起来不错的草丛，并结合在虚幻引擎中去完善这个结果。在我看来，弄清楚要使用什么样的贴图纹理，以及设置一个好的着色器，是两个关键的里程碑。

优化也是一个很大的挑战，虽然我尝试了不同的方法，并得出了一些结论，很明显如何制作优化精良的植被，还是有很多东西需要学习的，我希望在继续这个项目的过程中大家也能学到一些东西。

感谢你的阅读，我希望你觉得这很有趣。如果你有任何问题，请随时将它们发送给我！

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