Guerrilla首席美术师:《地平线:零之曙光》3A游戏的植被技术与艺术

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GameLook报道/对于一款游戏来说，植被占据了游戏世界资源非常大的部分，尤其是在高品质开放世界游戏中，要做到栩栩如生的视觉效果，植被资源创作无疑会给研发团队带来很大的压力。

在此前的GDC演讲中Guerrilla Games首席美术师Gilbert Sanders讨论了在《地平线：零之曙光（Horizon Zero Dawn）》茂盛而充满活力的植被是如何在保持整体性能的同时呈现在PS平台，并分享了打造过程中的心得。

以下是Gamelook听译的完整内容：

Gilbert Sanders：

据说，上帝在7天时间里创造了一个美丽的世界，甚至还不包括（安息日）星期天在内。然而，Guerrilla Games打造《地平线：零之曙光》的游戏世界却用了7年，而且经常需要在星期天加班。

这是今天唯一的玩笑，其余内容都是与技术相关。

先做个自我介绍，我的名字是Gilbert Sanders，是Guerrilla工作室的首席美术师（Principle Artist），与另外两名美术师一起，我们共同负责《地平线：零之曙光》游戏世界里的植被创作。

自2006年加入Guerrilla以来，我曾在《Killzone 2》担任环境美术，在《Killzone 3》担任着色器纹理美术师。这两款游戏之后，2011年初，我加入了工作室内部的一个小团队，并开始了一个项目的原型创意和测试，也就是后来的《地平线：零之曙光》。在此期间，我也参与了《Killzone：Shadow Fall》的研发，不过，自2014年之后，我就全身心投入到了《地平线：零之曙光》的研发。

玩游戏的时候，你们可能不太会注意到游戏里的植被，因为大多数时候都需要聚焦于游戏里的危险，接下来先看看我们最终在游戏里创造了怎样的植被效果：

我们今天主要分享的内容就是植被创作，在创作、模拟和渲染自然资源方面，大多数人都遇到过类似的挑战。自然资源，即使是在这一代最先进的硬件上，依然是一个真实存在的麻烦。除了麻烦之外，这个话题也是很有趣的，“少花钱多办事”的原则在这里仍是可行的。

图片中是我今天会谈到的一些话题，他们共同呈现了在我们Decima引擎里创造和渲染大量植被遇到的技术以及艺术方面的挑战。不过，首先我们来说一些整体信息、历史，随后再快速开始这些话题。

首先介绍一些Decima引擎着色器的信息，作为美术师，我可以通过这个引擎创造并维护自己的着色器，当然，这是在有技术团队支持的前提下才有可能实现。我们的渲染引擎可以直接通过Maya当中的着色器节点运行，并且工作室的图形程序员还做了很多定制化着色器节点。

Decima引擎使用了延迟渲染，我们希望《地平线：零之曙光》能够在PS4硬件上以30fps实现1080p（在PS4 Pro实现4K）画质。

当我们开始研发新IP《地平线：零之曙光》的时候，将包含图片中的所有东西。第一次听到这个IP的时候，我们就被说服了，尤其是其中的“BBC”大自然，这也是项目的支柱之一。

当我们在做《地平线：零之曙光》的时候，工作室的其他人都在忙着研发PS4游戏《Killzone Shadow Fall》，除了敌人之外，后者有一个关卡可以被用到新游戏当中，这是我们在植被外观和运动制作方面的首次真正测试。

我们很快意识到，由于植被资源并不是静态的，想要把它们进行外包会有些困难。我们还发现，如果按照《Killzone》的方式打造游戏世界内的植被，在《地平线：零之曙光》的开放世界里是行不通的，我们需要重新思考多边形、着色器以及纹理预算。

这个关卡也标志着首个布局系统（placement system）卑微的开端，我们只有最简单的敌人运行其中，但这也告诉我们，如果没有布局系统，就没办法实现我们真正想要的游戏世界。

为了强调着一点，我专门列出了同事Jaap去年（2017年）的演讲，简短来说，我们创造了一个系统，美术师可以在其中描述种类繁多、有趣而可信的环境，可以应用于游戏世界的任何地方。

模拟

我们希望这个系统具有高度艺术指导性，并且支持手动布局美术，它需要是完全数据驱动、确定，而且是本地稳定的。这不仅可以帮助我们快速填充游戏世界，还对测试阶段有很大帮助，比如帮助测试新资源的规模和性能，因此非常推荐同行观看Jaap的演讲。

接下来谈谈我们的树叶运动（foliage movement），从一开始，我们就知道大自然模拟应该与游戏里更广泛的系统相联系，它应该是美术和玩法驱动，而且需要是可控的，需要驱动我们的植被着色器程序。

我们模拟的基础是全局风力场（Global wind force field）。在《地平线：零之曙光》之前，风立场就是风箱（wind box），我们主要用它来驱动粒子运动，它们是在本地使用、手动布局，而且规模较小。

全局风力场是这些风箱的扩展版，不过进行了一些改变。我们的全局风力场是在每帧开始运行的一个计算机着色器，模拟一道风力在四类spring setting上的完整影响，并更新着色器可以取样的3D纹理。

首先是与玩家相关，也就是镜头FOV，这可以让模拟以高分辨率向玩家近距离呈现，在远距离，我们以非常低的分辨率展现。我们来快速浏览一下游戏里的全局风力系统效果：

它可以模拟四个不同类别的Spring setting，在不需要任何额外着色逻辑的情况下，它可以让我们为三种资源类型创造四种不同的运动，我们将这些资源分为三种类型（树木、植物、草皮），不过我们还把特殊物体统一划归第四类，也就是特别物体，比如横幅、防水布等等。

不过，考虑到渲染和着色的目的，我们只用了两种着色器。实际上，我们开始的时候只用了一个着色器解决所有事情，但后来发现，草皮需要特别的方法，所以我们专门给他打造了一个着色器。

草皮会在后面说，但我这里希望先谈谈树木和植物着色器。我们有了模拟风的方式，但这仍然需要转化为资源在屏幕上的运动。为此，我们采取了类似GPU Gems 3的方式，在2011年我开始做植被的时候，这是主要的参考文献，直到现在，这种存储蒙皮数据的方式仍是研发过程中没有改变的少数方法之一。我们在7年里改变了很多东西，但这种方式在任何规模的资源都是可用的。

为了让树木看起来真实，我们需要有三种程度的细节：大规模运动，也就是整个资源的弯曲；中型运动，即树枝摇晃；还有就是小型运动，也就是树梢或者树叶运动细节。

首先是整棵树的运动，所以我们使用了资源高度作为大规模运动的要素。

下一个等级的运动是树枝以及附属物的运动，从树干开始，这里的要素全部以蓝色显示，简单来说，我们存储了树枝距离。

第三个等级的运动是树叶，如图中的红色通道，这里我们做的是存储分枝距离。

有了顶点着色器（vertex shader），我们的植被就可以工作了，所有的植被资源都需要通过顶点着色器驱动，所以我们最终有了一系列的不同形式根据资源调整动画。这些变化形式被标记成了橘色，足以处理我们在游戏里所有的树木运动。

树木硬度是最容易处理的，对于树枝，我们有3个控制方式：弯曲、摇摆和上下运动。最后一个动态是叶子运动，取决于风力强度不同，我使用一个小型3D单行噪声纹理（16x16x16）模拟树叶运动。

由于游戏里的植物使用了与树木同样的着色器，但同时规模又更小，我们不得不去掉这些植物的弯曲效果，这不仅降低了性能开销，还避免了它们弯曲到地形当中。另外，我们着色器内另一个比较有帮助的是这个倾斜公式，可以用来计算不同资源受到风力影响的运动效果。

当我们开始《地平线：零之曙光》研发的时候，对草皮有着很大的目标。草皮需要无处不在，我们希望这些草皮是几何体，能够与风力和其他力场有真实的互动效果，但我们没有考虑这可能会带来什么挑战。

我们开始尝试，但草皮渲染占据了整帧，所以不得不对草皮进行不断简化，尝试找到事半功倍效果的方法。

这就是我们得到的结果，我们为不同场景设计了三种形式的LOD，不用再对普通纹理取样。

我们对全局风力场进行采样，这就是游戏内草皮运动的基础状态。不过，它并不能带来非常壮观的视觉效果，我们需要更多的动态，而且我们不希望草皮长期朝着同一个方向运动，也不能一直静止不动。

在此基础上，我们分别增加了大范围动态和小范围动态，他们共同形成了环境动态，占据了草皮动画量的80%。

除了模拟之外，我们的草皮还必须有更多功能。我们想要避免的情形是，当玩家低头看的时候发现几何体消失了，所以我们根据镜头对草皮网格进行倾斜，就像下图那样：

这种情况下，草皮看起来就不会是一成不变的卡片了。

此外，我们还让草皮与地面贴的更紧，并且减少了远处草皮的动画量，降低了网格数量使得这些草皮加载更容易，提高了游戏性能。

着色

在游戏里，实现透明度的代价是非常高的，哪怕是alpha阶段也很昂贵，在研发《Killzone》的那些年，我们对于alpha资源着色并没有太多经验。尽管过度简单，植被也很大程度上依赖于alpha测试，所以问题在于，我们如何打造《地平线：零之曙光》需要的那么多草皮？

我们的解决方案是将所有的植被纹理都在两个通道渲染，我们在深度通道做alpha测试，这时候可以得到所有资源的深度；几何体通道代价更昂贵，但效率很高。

那么，我们分析游戏里的一帧画面来看它对GPU渲染时间意味着什么：

这是游戏内的GPU Profiler截图，这里的百分比是我们的布局系统处理的资源，我们比较感兴趣的是，depthprime几乎占了整帧10%，几何体占据11.5%左右，它们总共是21.345%。

我们再看没有了depthprime之后的开销，与上面的差别很大。简单来说，深度通道可以节约大量的性能开销。

《地平线：零之曙光》的Alpha纹理使用了符号距离（Signed Distance）纹理，可以让美术师在着色器里控制纹理大小。我们可以在着色器里进行放大和缩小，控制距离远近，这样做主要是为了调整不同距离看到的视觉效果品质，我们还在着色器里加入了可以调节的雪花。

我们始终在努力提升游戏性能，并且发现在着色器里调节Alpha的开销很大。

再来看看GPU Profiler，需要声明的是，在研发过程中，由于发生太多的变化，很难复制特定情形，所以这是我做的一个模仿版本，注意关注depthprime的变化，阴影占据了整帧的9%左右，这时候depthprime是6%，当我们将阴影降低2%之后，depthprime降低了1%。

那么，我们是如何实现的呢？在alpha测试之后，我们计算了输入图形的范围，生成了常规的Mip-chain，这是有意义的，因为我们已经在着色器里进行了取样。

这是Mip-chain的效果展示。

Alpha当然是越小越好，但对于你需要绘制的大量资源来说，还需要适应缓存，尤其是对于草皮来说，而且你需要有比较好的抗锯齿解决方案才能实现比较好的视觉效果。

对于抗锯齿这个问题，感兴趣的同行可以参考小岛工作室的这样演讲。

渲染

我们的Decima引擎使用延迟渲染，植被着色器写入这些G-Buffer：

这些是我们为着色器提供的植被纹理，唯一的例外是草皮从没有AO（环境光遮蔽）纹理。

图片下方是比较典型的植被纹理设置。

对于普通物体，我们不需要做复杂的3D渲染，比如图中的植物，只需要在切线空间里翻动即可。

不过，对于高度依赖三角形的资源来说，“错误”翻动是有帮助的，我们可以对比以下效果：

反射率

我们游戏里所有的植被都是着色的，我们为此做了纹理数组，并且基于资源类型、游戏世界数据和生态环境为美术师提供了多种选择。

为此，我们将所有的植被反射色值进行了平均，对不想着色的部分还做了蒙皮纹理，结果就是前景颜色与背景颜色混合，让亮的地方看起来更亮，暗的地方看起来更暗。

我们将粗糙度和反射率从纹理样本中剥离出来，对于反射率我们设置为4% Dielectric，对于粗糙度，我们希望给美术师更多控制权，他们可以对环境光遮挡、遮挡纹理和半透明纹理进行调节，以便简单在一个纹理当中区分树叶与树皮的粗糙度。对于草皮，我们选择了用半透明纹理实现类似的效果。

图片中的前三个是没有办法在着色器中调整的，后面三个是可以让美术师进行调节的。

资源创作

接下来我们来看植被资源的创作管线，当我们开始做《Killzone》的时候，我们知道如何打造这些东西：

这些就是《Killzone》游戏里的植被。

这是我们2014年初做出来的效果，用来确定森林里的植被密度。

到了2015年的E3，我们有了《地平线：零之曙光》的第一个可玩版本，由于需要让开发者在现场展示，我们做了大量的LOD，随着展会临近，我们在思考如何在不减少三角形的情况下提高这些LOD的外观效果和性能。

我们最初是从低网格开始的，如果喜欢在游戏里的效果，那么就开始增加更多的细节。

比如，我们用了很短的时间打造了一棵树可能拥有的外观，在《地平线：零之曙光》研发过程中，我们用SpeedTree制作这些资源，如果对效果不满意，我们可以快速更改，如果满意，就迅速制作高分辨率资源。

这是我们打造的一个高分辨率树枝，使用了Maya和SpeedTree。

一旦对这些纹理感到满意，我们就放到Maya进行纹理烘焙，做成我们游戏模式里需要的UV空间。

随后，我们回到快速模式，把他当作LOD3，并开始加载。

接下来我们把快速模式做出来的网格放到游戏里测试，有人注意到我们把主角放在背景当中了吗？

我们用内部打造的houdini工具将资源导出到Maya，然后就是将资源设置从Maya导入到游戏里。

一棵树的打造过程大致就是上图的样子

这是另一种资源（植物）的制作

阴影反射

对于太阳光阴影，我们使用了四种级联，对于隔层级联，我们仅覆盖主角Aloy，意味着她自己以及她的衣服和周围物体都有比较高质量的阴影，所有的植被在这个级联都不会被渲染。

级联0和1代表普通阴影映射，也就是植被渲染，我们还使用了距离级联来渲染高度映射。不同的级联之间，我们采取了淡入淡出效果，让两个级联之间的切换不会令人觉得不自然。

由于时间的关系，这部分我们不做特别详细的解释。

总结

作为总结，我简单介绍一些推荐同行们使用的植被创作方法和工具，比如Depth Prime、定制化Mip Chain、LOD up，将你的shadow casters与视觉网格分开，使用布局系统。另外一个对我们带来很大帮助的就是，这一切都是我们内部完成的，这使得植被外观和性能得以不断迭代、提升，以上就是我今天的分享。