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前腐后继 - 2006-12-18 20:19:00

Half Life2 Displacement Terrain System
HL2的地形系统是一个另类的地形系统，它没有使用当前流行的heightmap技术，而是完全使用displacement map技术来进行处理，使用displacement map技术的初衷是为了在框架中和BSP技术保持一致，这是因为在BSP中最小的渲染图元是surface，surface的限制是所有的顶点必须位于同一个平面上，实际上从理论上来说在HL2这样的引擎中也可以使用heightmap来构造地形，那就是将heightmap数据也分块保存，但是当前流行的地形技术使用的都是一个整张heightmap，而且大量的LOD算法都是基于这个基础上的。使用displacement map的另外一个好处是可以构造更加复杂的地形，这是因为它存在法线的缘故。同时使用displacement map还有一个好处是在将来，因为当前MS已经对displacement map技术进行了支持，现在的问题是GPU在硬件上还不支持，如果一旦硬件支持的话，就有可能将整个地形由GPU来处理，那么对地形渲染的速度和精度会有非常大的提高。
1、what’s Displacement Map
displacemtn map技术是最近几年才出现的一个技术，它出现的初衷是为了解决内存和GPU之间的带宽问题，它开始主要用于高poly角色模型的渲染，由于模型的高数据量会使内存和GPU之间的传输成为瓶颈，因此将其转换为低poly模型和一张displacement传送到GPU中，在GPU中转换为高poly模型进行渲染，可以大大减轻传送的数据量。
但是当前这项技术已经获得非常大的发展，它使用的范围非常大，从室外地形、水面、海洋到室内场景的渲染，它为提高场景的真实度提供了一个有力的工具。一个displacement map通常包含两部分：一张normal map用来保存法线，另一张height map用来保存顶点的偏移。当需要从低poly模型转换为高poly模型时很简单，首先从模型的一个face上获得一个插值点P1，然后从displacement map中获得相应位置的normal和distance，那么新的顶点P2为：
P2 = P1 + normal*distance
关于displacement map的参考文章请看shaderX2中的Displacement Mapping。
2、HL2 Displacement Map Rule
在HL2中displacement map信息被保存在BSP文件中，它有以下几个数据块：
LUMP_DISP_VERTS 保存displacement真实顶点信息
LUMP_DISP_TRIS 保存displacement三角形标识符信息（walkable or buildable）
LUMP_DISPINF 保存displacement 的连接信息
它们保持的信息结构如下：
LUMP_DISP_VERTS：
class CDispVert
{
public:
Vector m_vVector;// Vector field defining displacement volume.
float m_flDist; // Displacement distances.
float m_flAlpha;// "per vertex" alpha values.
};
LUMP_DISP_TRIS：
class CDispTri
{
public:
unsigned short m_uiTags; // Displacement triangle tags.
};
LUMP_DISPINF：
class ddispinfo_t
{
public:
int NumVerts() const{ return NUM_DISP_POWER_VERTS(power); }
intNumTris() const{ return NUM_DISP_POWER_TRIS(power); }

public:
Vector startPosition;// start position used for //orientation -- (added BSPVERSION 6)
int m_iDispVertStart;// Index into LUMP_DISP_VERTS.
int m_iDispTriStart;// Index into LUMP_DISP_TRIS.

int power; // power - indicates size of map //(2^power + 1)
int minTess; // minimum tesselation allowed
float smoothingAngle; // lighting smoothing angle
int contents; // surface contents
unsigned short m_iMapFace; // Which map face this
//displacement comes from.
int m_iLightmapAlphaStart;// Index into ddisplightmapalpha.

int m_iLightmapSamplePositionStart;// Index into.
// LUMP_DISP_LIGHTMAP_SAMPLE_POSITIONS
CDispNeighbor m_EdgeNeighbors[4];// Indexed by NEIGHBOREDGE_ defines.
CDispCornerNeighbors m_CornerNeighbors[4]; // Indexed by CORNER_ defines.

enum { ALLOWEDVERTS_SIZE = PAD_NUMBER( MAX_DISPVERTS, 32 ) / 32 };
unsigned long m_AllowedVerts[ALLOWEDVERTS_SIZE]; //
// This is built based on the layout and
//sizes of our neighbors
// and tells us which
//vertices are allowed to be active.
};

在HL2中规定一个displacement最大由17*17个顶点组成，每一个displacement都将左下角看作是自身坐标系的原点，并按照顺时针方向进行记数。如下：

在ddispinfo_t类中我们可以看到为了记录displacement的邻接关系，它使用了两个数组，m_EdgeNeighbors记录四条边的邻接关系，而m_CornerNeighbors记录了四个角的邻接关系。必须注意的是在HL2中邻接的displacement并不一定都是一样大的，也就是说邻接的displacement不一定是一个，也可以是两个，如果邻接的为两个的话那么邻接的displacement的大小必须小一倍。如下：

在displacement和surface中都有一个变量来指定它们相互之间的对应关系，你可以这样认为，如果一个surface是一个displacement surface的话，那么在surface所保存的顶点信息就是displacement所在的基准面信息，实际上就是记录基准面的四角坐标，当产生实际顶点时过程如下：通过这四角的坐标和displacement的power信息可以插值获得每一个真实顶点的基准点坐标，然后通过CdispVert所保存的信息获得真实的顶点坐标。
3、如何处理地形系统
在HL2中为了高效的渲染地形定义了大量的类，其中最重要的为CdispInfo，它几乎包含了地形的大部分处理，还有一个类CpowerInfo，这是一个予计算的模版类，它预先计算了每一种大小displacement的信息，这样做是为了加速地形的渲染，而类CcoreDispInfo只用来载入数据时使用，它的功能就是将BSP文件中的信息转换为程序可以处理数据。其实在HL2中比较难懂的是它的LOD算法，下面是它具体的算法：
首先是它的更新策略，在正常情况下（LOD的控制台变量为默认值）对displacement的更新有两种情况，它规定了一个更新半径（由控制台变量r_DispFullRadius指定）凡是位于此半径内的displacement的LOD等级都为最大。另外在每次更新时每一个displacement内部都记录了更新时camera的位置，如果当前camera的位置减去上一次更新时camera位置的大小大于一个规定值（由控制台变量r_DispRadius指定），对其进行更新，必须注意的是此时更新的是位于更新半径外的displacement。
下面是它的LOD算法，还是要提醒此时是对更新半径外的displacement进行处理。通常现在LOD算法都是基于距离进行计算的，但是HL2中没有采用这种方法，而是使用一种称为屏幕误差的方法进行。具体方法如下：
首先假设将要更新的displacement位于屏幕的中心，然后求出此时的camera变换矩阵，遍历displacement中的所有顶点（不包含当前displacement的中心点和四个角上的点），对于每一个顶点，用它的坐标和它所在error edge的算术中点坐标相减，然后用这个值和当前displacement的AABB中心点相加，结果通过camera矩阵进行变换然后将X，Y部分分别除以Z值得到的就是这个顶点在屏幕上的视觉误差了。这是一个非常不容易理解的部分，尤其是除以Z值的部分，其实这样做是为了将其投影到Z为1.0的平面上，省略了进行投影变换的过程，提高了效率。当这个误差大于预定义值就将这个顶点渲染出来。
通过上面的介绍可以看出在HL2中并没有象其它LOD算法一样对每一个displacement硬性的规定一个LOD级别，而是通过每一个顶点的屏幕误差来确定它是否可以被渲染，这样做在渲染非常大的地形时效率不会太好，但是在处理HL2这样的小场景时效率确实非常不错。同时也要注意这种地形方法的优点，它非常适合处理落差非常大的室外场景，如地牢围攻这样比较夸张的地形，不过此时就需要对它的LOD算法进行一下改进，另外在HL2中地形一般都比较小，如果地图设计良好的话基本上很少会渲染hidden surface，因此上不需要做地形tile的HSR，而将这种地形系统扩展到无限地形系统时，必然需要使用一定OC算法来做HSR的工作，这可能是将其扩展到无限地形系统的一个非常具有挑战性的工作了。

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