speed tree技术分析

天の川

第一次下载speed tree demo运行时，立刻被精美的画面所震撼，场景中大片的树木尤其吸引我的眼球，
speed tree使用何种技术来渲染大范围的植物一直令我不解。因为在很多游戏中对树木的渲染都可以很明显地
看到多边形的痕迹，而在speed tree中你几乎看不到任何破绽，繁茂的树叶、精确的光照、shadow、
self-shadow，这些元素构造起了一个完美的树木。



直到前几个月无意中玩完美世界时发现它使用了speed tree来渲染树木，由于洪恩丑陋的美工得以使我发现了
其中的端倪。我立刻又拿起以前下载的demo仔细研究了几天，终于发现speed tree是如何渲染树木，下面就自
己的看法和大家探讨一下。
1 植物模型
在speed tree中将所有的植物模型保存在.spt文件中,一个model按照我的观察应该分为三部分:主干、支干、
树叶。主干是指树木本体和其最粗大的枝干，这主要是由mesh构成，一个比较有意思的地方在于speed tree并
不是使用通常的顶点来保存这个mesh，而是使用多条贝塞尔曲线来保存整个mesh，在运行时再转换为mesh，按照
我的考虑这样做有两大优势：一个是非常方便做mesh的lod，因为贝塞尔曲线是一个函数，可以快速获得任意位
置的顶点坐标，这样不必象一般的mesh那样预计算lod数据，减少了内存的占用量。另一个是非常方便做碰撞
检测，使用曲面要比一般的mesh使用的bv tree检查碰撞效率要高很多。
支干是指树木上较细的枝干，在真实的树木上枝干是非常多的，如果使用mesh来对这一部分建模，那么渲染的
负担是非常可观的，因此对这一部分speed tree使用了一个简化模型，每一个支干由两个quad mesh构成，这
两个quad形成一个V字型，然后将支干的贴图渲染到quad上，通常情况下支干的主枝位于两个quad的接缝处，
这样做完alpha blend后会是一个V型的立体模型，不仔细观察很难发现这只是有一张纹理产生的支干。
对于树木的树叶speed tree处理起来更加简单，就是一个billboard加上树叶的纹理，这样大量渲染时负担也不是
太重。
2 光照
speed tree中对树木的光照分为三部分进行处理：对于主干部分使用的是per-pixel lighting，因为speed tree

中带有normal map。支干部分由于是两个quad mesh因此计算光照时使用面法线，这样一个quad总是一个面为亮面
另一个为暗面。而对于树叶稍微有些复杂，由于树叶是billboard，因此不能用法线，而是根据树叶的位置来确定
光照值，根据我的观察speed tree根据树种的不同使用了多种光照模型来确定光照，最简单的一种是通过
sunlignt的方向获得一个和其垂直的通过树木中心点的水平轴线，将树叶分成两部分，一部分渲染为带光照，一
部分渲染为不带光照。
3 阴影
speed tree中将阴影分成三部分计算，首先是树木在地面上的阴影，这一部分最好计算，直接使用shadow map
计算出来树木的阴影。其次是self-shadow（自阴影），这一部分是难度比较大的地方，应当是通过预计算出来，
然后将其保存到一张shadow map中。最后是其他物体投影到自身上的阴影，这一部分难度最大，按照我的想法这
一部分也是分别处理，对于树叶和支干应当是取其中心点坐标，将其变换到投影物体的光照坐标系中，获得投影
物体的shadow map投影面的uv坐标，检查shadow map指定位置的亮度信息作为自身的光照值。而对于主干的mesh
，则需要将所有的顶点变换到投影物体的光照坐标系中，计算顶点在shadow map的uv坐标，另开一个pass或添加
一个纹理单元使用投影物体的shadow map渲染（这样在speed tree中渲染主干需要四张纹理，一张树木表面纹理
，一张normal map，一张self-shadow map，一张projective shadow map）。
4 优化
通过以上技术树木的渲染已经非常真实，但是如果希望在每一帧渲染大量的树木还需要做大量的工作，在speed
tree主要使用以下几个技术进行优化渲染。
（1）对超过一定距离的树木使用billboard渲染，这种技术也被称为impostoring（替换体）技术，这在现在的游
戏使用非常普遍，很多游戏对树木这样的物体都是使用一张预先作好的树木贴图，这样做的后果是看起来非常不
真实（如涂鸦的引擎），在speed tree也是预先做好的贴图，但是使用的时候添加了过度的细节，最远的时候是
一张贴图，随着距离的拉近在贴图的位置开始出现主干的mesh，接着是支干，接下来逐渐出现树叶，这时候树叶
的billboard会比较大，随着距离接近开始变小，随着树叶增加billboard贴图开始消失。一个有趣的现象是speed
tree使用了称为bumped billboard技术，也就是给billboard贴图附加了一个normal map，这样在billboard随着
视角发生旋转时表面的光照也会出现变化。实际上也可以通过使用RTT技术直接将树木渲染到纹理上作为
billboard的贴图，在far cry就是这样做的，由于是隔帧计算因此渲染负担也不是太重。
（2）限制场景中树木的种类，并且保证同一树种使用相同的方位。在speed tree的demo中可以看到同一场景中出
现的树种也不过四五种，而且同一树种的方位和大小都是一样的。这样做的好处显而易见，可以避免过多的转换
renderer的状态，如果同一树种的方位和大小相同，那么相应的lighting和shadow都是一样的，（只存在
porjective shadow map的差别，可以将这一部分另开一个pass单独进行渲染），在sun position不变的情况下只
需要计算一次，这样对树木分组渲染时几乎可以将batch装满（在现在的GPU上batch中顶点的最佳数量应当在
16000左右，一般情况下树木主干的顶点不过200多，这样一个batch可以差不多渲染80棵树木，这样的效率是惊人
的）。
（3）对于mesh做LOD这应当不需要再讨论了。
其他话题：
apeed tree大部分的lighting和shadow都应当是real-time计算的，只有self-shadow应当是预计算出来，如果使
用动态光照的话（如day and night cycle的场景）会有些麻烦，要是能够找到一个较好的方案来real-time计算
self-shadow，那么speed tree提供的树木渲染方案就可以称的上完美了。
speed tree还有一个令人感兴趣的地方是它的地形引擎，使用了细节纹理和静态lightmap，有趣的是它的lod，竟
然只有两级LOD，有点象geomipmap，又存在不同，而且好象在terrain mesh下面还有一层细节较低的mesh，有点
象cry engine的做法，但是具体的原因我不是太清楚。不过它的地形引擎的效率并不是太好，主要是同时渲染了
太多的顶点，而且它的OC效果并不明显，在wireframe模式下看不出有哪些地方被剔除。
最后提供一张speed tree demo的截图，这张截图有些特殊，是我将树木纹理中alpha通道删除后得到的，可以非
常清楚地看到speed tree中一个树木的模型到底是什么样，呵呵，非常有意思。