Unity大面积草地渲染——4、对大面积草地进行区域剔除和显示等级设置

目录
1、Shader控制一棵草的渲染
2、草地的动态交互
3、使用GPUInstancing渲染大面积的草
4、对大面积草地进行区域剔除和显示等级设置

大家好，我是阿赵。
这里开始讲大面积草地渲染的第四个部分，对大面积草地进行区域剔除和显示等级设置。
在上一篇文章里面，我使用了GPU Instancing来渲染草，渲染的合并是比较的成功，但如果草地的面积太大，会导致同屏渲染100多万的面。这个数量级比较高，对显卡有一定的要求。所以这一篇文章来想办法解决这个问题。

一、一个区域内的草的多种等级渲染

我这里在一个5X5的范围内，分别生成了不同数量的草：
等级1，总共有1000棵草

等级2，总共有500棵草

等级3，有100棵草

这三个等级，有点类似于LOD的概念，我打算在不同的距离观察这个5X5区域时，会显示不同等级的草。当然，如果有需要，继续增加等级，比如等级4 、5之类。

二、九宫等级显示

刚才我们已经有了三个等级的草，我现在先忽略了地形的区别，假设有一片无限大的草地，都是平的。然后我从顶视图把这个草地划分为每5X5为一格。然后不同深度的格子，是不同显示等级的草。纯绿色的是1级，然后颜色渐渐变浅等级就越低。
假设中间红色的小球是一个人，他走到了这个格子的时候，如果按照标准的九宫格来显示草的疏密等级，就有以下这个图：

直观的显示成刚才的3种等级的草，会是这样的：

但这个九宫的设计会有一个问题，当角色走到格子边缘的时候，会看到明显的接缝，然后跨越格子的时候，会明显的看到草地的疏密变化，效果不是很好：

于是，我在这个基础上，把最里面的等级1，增加多一圈，变成了下图这样：

这个情况下，当人走到一个格子的边缘时，人周围一圈的格子草地都保证不会发生疏密变化，只有在更远一圈的地方才会发生变化。

从顶视图看的效果是这样的：

三、草地LOD信息的存储

由于我们的草是用同一个网格模型渲染出来的，所以原则上我们只需要记录同一个区域内，每一颗草的位置就行了。位置有xyz三个信息，我这里是使用了图片的格式加一个配置文件来存储。比如下面这个区域的草地信息，我保存如下：

从配置文件看，这是一个5X5区域的草地，总共有250棵草，所有草的坐标的最小XYZ值，还有从最小值到最大值的偏移值，都记录下来了。
然后每棵草的坐标，其实就是图片里面的rgb颜色。
这里有250棵草，一张16X16的贴图，就有256个像素，就已经够存储了。
具体的算法是，每个坐标减去最小值再除以偏移值，就是它的颜色值。还原的时候同样的算法。

接下来思考几个扩展问题：
1、加入一个山坡有不同的高度变化，不再是一片平底，该怎样处理呢？这里有3个做法可以作为参考：

1.每一片5X5的区域生成一个贴图和配置信息，配置信息里面加上这块5X5区域的中心点坐标
2.还是用同一片5X5区域信息，在首次生成某个5X5区域的草地时，使用碰撞的方式获取一下当前草地的高度，并存起来，作为生成单棵草时的高度。
3.还是用同一片5X5区域信息，给山坡的大区域生成一个高度图，然后当需要生成某个坐标的草时，通过高度图来获取草的实际高度。 反正做法有很多。

2、假如我希望显示的草的旋转和缩放有不一样，该怎么办呢？

其实非常简单，还是用rgb把它们存储起来就行了，根据需要，同一个等级的图片增加一张单独旋转的和一张缩放的就行。

3、假如我希望显示的草不止一种，而是有很多种，该怎么办？

注意我们刚才使用了图片的rgb而已，还有alpha没有用。所以如果我们用上的话，0-255的alpha值保存在图片的每个像素上，我们最多可以支持256种草，按道理怎么都够用了吧？

刚才的例子，我生成了4个级别的LOD草信息，总共是这么多文件，容量加起来只有5k，就能渲染无限大面积的草地了：

值得注意的是，读取这个图片，我们有可能会发现读取出来的颜色值和实际保存的值不一样。
如果是直接放在Unity内部的图片，要记得取消所有压缩设置

四、使用API渲染策略

上面我们已经有了数据了，那么我们怎样才能实现LOD渲染呢？是不是应该把草都摆在场景里面，然后使用Unity的LOD Group呢？
这里我的做法是这样的：
1、先获取角色当前的坐标，如果我们是以5X5做为一格，那么算出当前角色所在的5X5区域的横竖Index
2、通过区域的坐标，算出当前5X5区域的中心点，根据实际需要显示的圈数，通过遍历，找到相邻多圈的其他5X5区域
3、计算每个区域应该显示的LOD等级，然后获取每个区域的坐标矩阵
4、如果想中间的区域显示多少圈等级1的草，可以再加多一个参数控制
5、得到所有需要显示的区域的坐标矩阵之后，按照列表长度不超过1023，重新把它们存放到一个或者多个矩阵数组里面。
6、通过API渲染：Graphics.DrawMeshInstanced(mesh, 0, mat, matrixs, matrixs.Length);
从上面的算法看，好像有很复杂的计算，其实并没有。因为当第1步计算当前角色所在的区域Index时，可以和上一次计算的值做对比，如果没有发生变化，证明角色并没有跨区域，所以2-5步都可以省略掉，直接执行第6步就可以了。

然后我看了一些网上介绍大面积草地做法的文章，他们比我做得更精细，还通过各种算法，去剔除摄像机背面的草，剔除被物体挡住的草，等等。我并没有这么做。因为我觉得，现在这一套策略，在GPU不是太差的情况下，真正的瓶颈是在CPU的计算上，而那些剔除算法，基本上都是需要额外增加CPU的计算的，而且还是每一帧都需要计算。我现在的CPU压力只会在角色跨过一个5X5区域时，稍微有一次计算，对比起来，其实是省了很多计算的。
如果真的担心GPU承受不了，我们可以通过游戏内提供显示质量等级让玩家来选择。

五、不同质量等级的显示控制

留意看刚才的渲染策略，可以发现，我留了2个参数控制草地显示的范围：
1.实际显示的圈数
2.中间显示多少圈等级1
我再加多一个参数，
3.最高等级显示到多少级
通过这三个参数的组合，我们可以组合出很多种显示质量等级了，比如我这个例子里面设置了高中低三个等级：

最高等级，有300多万面需要渲染，不过效果很好，一望无际，移动的过程中也完全看不出草地的接缝变化。

中等等级，有一百多万面需要显示，稍微可以看出远处有草的疏密变化

低等级，有30万面，草看起来比较稀疏，在移动过程中疏密变化比较明显。

这个demo我发到手机和模拟器上面跑过，就算调到最高显示质量，实际上都是60帧满帧的，所以看着好像很可怕的几百万面，在使用了GPU Instancing合并渲染之后，其实效率还是比较高的。如果实在是害怕有手机跑不动，其实还可以进一步的调整草的模型面数，我现在这一束草的面数有一百多面，其实也偏高了一些。