UE引擎 LandscapeGrass 实现机制分析(UE5.2)

前言

随着电脑和手机硬件性能越来越高，游戏越来越追求大世界，而大世界非常核心的一环是植被，目前UE5引擎提供给植被生成的主流两种方式为 手刷植被和LandscapeGrass(WeightMap程序化植被)。当然UE5.3推出新一代PCGFramework 节点程序化生成框架，也可以用于植被生成。(本文暂不涉及到PCGFramework)， 主要分析LandscapeGrass方案。

手刷植被

手刷植被是比较传统的植被生成方式，基本各种引擎都会提供植被编辑器让美术人力刷植被，这里倒是没什么好分析的。UE5提供了手刷植被模式FoliageMode, 工具比较齐全，比较易用，能让场景美术高效率手工刷植被。FoliageMode生成的植被是用HISM组件管理，不明白的可以看看我的另外一篇博客(UE4 4.27) UHierarchicalInstancedStaticMesh(HISM)原理分析

LandscapeGrass(WeightMap程序化植被)

背景

weightmap程序化植被, 顾名思义: 由地形weightmap程序化生成的植被。首先地形WeightMap的概念，说白了就是地形材质混合的权重图，不懂的可以看下UE地形系统材质混合实现和Shader生成分析(UE5 5.2)。场景美术在地形上频繁刷了各种材质，比如草原或者沙漠，然后需要再相应的地貌上种植相应植被，比如草原种绿草，沙漠种仙人掌，因为地形的材质层是频繁改动，每次刷完草或者沙漠后，又得用FoliageMode 在相应地貌刷植被，两重工作量，而且容易遗忘，这时候就非常需要一种工具:? 在相应的WeightMap上程序化铺满一种或许多种植被，每次刷完WeightMap后地形可以自动生成。UE引擎?就有这样一套方案，叫LandscapeGrass

LandscapeGrass使用简介

配置LandscapeGrassType

材质Grass采样层配置

显示结果

LandscapeGrass生成分析

LandscapeGrass UML图

LandscapeGrass执行流程图

这里重点介绍RenderGrassMap，GrassInstancedStaticMeshComponent, FAsyncGrassTask.

这里的三个过程都是逐组件的，针对单独一个Landscapecomponent进行

RenderGrassMap(Per LandscapeComponent)

GrassMap本质就是一张图集(TextureAltas)

这里是将LandscapeComponent的HeightMap和Grass用到的所有WeightMap(也就是上面的L2,L3,L4,L5)合并到一张图集里，格式为PF_B8G8R8A8，也就是所谓的RenderGrassMap。

假设一个Landscapecomponent 分辨率为128，一张HeightMap占16位，一张WeightMap占8位, 由于上面使用了L2,L3,L4,L5四个草权重层，则 （2 + 4）/ 4 = 1.5， 得使用两张128 * 128，合起来（128 * 2）* 128 = 256 * 128，这就是RenderGrassMap图集。

GrassMap创建

Render GrassMap

通过DrawLandscapeComponentMesh，设置Ortho正交相机, 进行多次RenderPass, 将HeightMap和WeightMap写入到GrassMap图集里。一次RenderPass写入4个8位通道，6个8位通道就是需要两次RenderPass.?

核心代码：

FLandscapeGrassWeightVS，FLandscapeGrassWeightPS，?FLandscapeGrassWeightMeshProcessor等文件

"?grass.CaptureNextGrassUpdate 1 "?可以对RenderGrassMap进行Renderdoc抓帧

GrassMap fetch成cpu数据

上一步生成了GrassMap 图集，里面存储了LandscapeComponent地块的HeightMap数据和所有的Grass相关的WeightMap数据。最终直接对GrassMap进行CPU ReadBack，读取数据出来，合并到FLandscapeComponentGrassData的 TArray<uint8> HeightWeightData里。HeightWeightData按顺序分段存储了高度数据和所有的Grass各层权重数据。

为什么需要Render GrassMap

回过头来看RenderGrassMap存在的意义是因为UE引擎地形的各个LandscapeComponent共用了HeightMap和WeightMap,?RenderGrassMap就是把每个组件的HeightData和GrassWeightData从公用纹理抽离出来，存到LandscapeComponent里，方便每个LandscapeComponent生成自己的GrassInstancedStaticMeshComponent.

GrassInstancedStaticMeshComponent

GrassInstancedStaticMeshComponent继承于HISM组件，两者基本没什么区别。这里需要强调的是一个GSMC组件针对一个LandcapeComponent的LandscapeGrassType的GrassVariety来创建的。

FAsyncGrassTask(随机撒点和HISM构建)

LandscapeComponent已经获取高度和权重数据，下面就是进行随机撒点。FAsyncGrassTask

随机撒点

撒点密度由LandscapeComponent地块大小和GrassVariety的密度决定

FAsyncGrassBuilder封装了随机撒点的核心算法, 目前一共提供了两种随机撒点算法: JitterGrid和?Halto序列

勾选了UseGrid就是使用了JitterGrid随机撒点，反之使用Halto随机撒点。

JitterGrid

JitterGrid也就是根据密度把整个地形块均分切成多个块，每个块内随机生成一个二维点，并且加上一定的旋转和位置偏移，最终得到一个随机点。具体算法参考我之前一篇博客：?程序化物件放置(procedural placement)之泊松硬盘采样(poisson disk sampling)

一个随机点虽然生成出来了，但是是否存活得满足一定条件:

可以看出当权重为0，百分百不通过。权重为1时，通过率是百分百，如果权重为其它，那就看随机的运气了。

Halto序列

Halto随机数生成参考?应用halton序列生成均匀散点图

Halto序列生成的随机点存活条件判断和JitterGrid是一样的。比较注意的是，JitterGrid和Halto序列生成的随机点都是二维的，都需要进行一次SampleHeight来得到高度位置Z，Sample方法是?Bilinear interpolates。

撒完点后最终进行HISM构建。

FoliageMode和LandscapeGrass的区别

未完待续

参考文章

[1]?UE地形系统材质混合实现和Shader生成分析(UE5 5.2)

[2]?(UE4 4.27) UHierarchicalInstancedStaticMesh(HISM)原理分析

[3]?应用halton序列生成均匀散点图

[4] 源码文件：LandscapeGrass.cpp