用Ogre实现无缝地图

用Ogre实现无缝地图

         1.7版本之前，如果想用Ogre内建的地形系统实现一个像样的无缝地图，恐怕要闹到抓狂。所幸sinbad在1.7为Ogre加入了全新的地形组件，它囊括了一个地形系统所需要的基本功能，并且具备扩展出丰富特性的能力，使开发者得以避免重复造轮子的麻烦。

         以《魔兽世界》为标杆，我们尝试使用Ogre的新地形系统，构建一个类似的无缝地图，它理论上支持无限扩展、支持挖洞、支持缤纷易变的地貌、采用分层纹理混合的方式进行渲染。

 

分页

         无缝地图的精髓在于分块，动态地加载视野所及的地形块，动态地卸载不再活跃的地形块，这是实现无限连续地形的基本原理。

         Ogre使用分页模块（OgrePaging）和地形模块（OgreTerrain）配合实现地形的动态加载。

         分页模块的类构架如下：

         PageManager

                  PagedWorld

                            PagedWorldSection

                                     Page        

                                               ContentCollection

                                                        Content

         PageManger管理整个分页系统，这一层保存着下层对象的工厂列表，同时实现了一些

实例化下层对象的方法。

         PagedWorld类用于声明一个分页的世界，扮演的角色相对较弱。

         PagedWorldSection按照字面意思是世界中一块区域，这一层是分页功能主体所在。本层通过当前的分页策略PageStrategy类对象，根据Page和相机的距离，调用loadPage()，驱动Page发送WorkQueueRequest以完成加载，或者调用unloadPage()完成Page卸载，这是分页的关键。

         下来的一层是受PagedWorldSection管理的Page，即分页系统中的基本单元——页，再下来是内容集类ContentCollection及其下的内容类Content，它们代表了一个页中包含的内容。

         配合分页模块，地形模块代码结构如下：

         TerrainPaging

                  PageManager

         TerrainPagedWorldSection

                   TerrainGroup

         可以看到，地形模块的类和分页模块的类结构并非一一对应。

         TerrainPaging类包含了一个PageManager的对象，仅此而已，可以将其视为等同于PageManager。PagedWorld类直接被略过。

         继承自PagedWorldSection 的TerrainPagedWorldSection类则比较关键，其中包含有一个TerrainGroup对象。在TerrainPagedWorldSection中，地形Terrain被视为和Page处于对等地位的块，这些地形被按照位置映射存储在TerrainGroup里，重载的loadPage()和unloadPage()在加载、卸载Page的同时，驱动TerrainGroup加载、卸载对应位置槽里的Terrain实例。

         Ogre一贯秉承“结构重于特性”的理念，所以代码读起来难免有些拗口。总得来说，Ogre借助Paging分页系统，管理一个TerrainGroup下的多个地形，完成了地形的分块加载。

       实际上，如果不需求分页动态加载的话，你还可以选择不使用Ogre的Paging系统，而使用自己的方法来管理TerrainGroup。

 

洞

         地形上的洞要求地形的一部分镂空或不予显示，一般用来制作深入地形的洞穴或地堡。

         Ogre地形挖洞的问题在Ogre社区里有不少讨论，但似乎没有公认的靠谱办法。在开洞处使用透明贴图过于笨拙且浪费资源，而更改地形的顶点索引留出开洞部分也由于略显复杂而少有人问津。

         我们使用隐藏挂接于地形四叉树下的场景节点的方法。Ogre的地形使用四叉树管理LOD，整个地形被细分为一颗四叉树，不同深度的树节点代表LOD系统中不同的地形细节，可以想象根节点代表着LOD最粗糙的一级，往下类推。每个四叉树节点下包含一个场景节点，用于显示该节点对应的顶点列表。这些场景节点被挂接在地形实例所创建的场景根节点上，组成一棵深度为2的场景树。地形四叉树节点和场景节点的关系如下图所示。

 

         Ogre中显示或隐藏一个场景节点是很方便的，我们可以找到开洞部分对应的场景节点，将其隐藏，从而达到地形挖洞的效果。

         Ogre地形使用Skirt技术解决LOD带来的T裂缝问题，即每个LOD地形块由四周往外延伸出一格并垂直折下，宛如为自己围上一条裙子，用来遮挡当相邻地形块处于不同LOD层级时可能会出现的裂缝，这样的地形块看起来就像一个没有底面的方形盒子。如果在地形上开洞，留意把SkirtSize设小一点，以免透过洞口看到这些盒子的侧边。

 

LOD结构

         有三个参数对Ogre地形的网格结架比较重要：terrainSize、minBatch及maxBatch。

terrainSize决定地形的顶点数目，minBatch决定四叉树非叶节点所包含的顶点数目，maxBatch决定四叉树叶节点所包含的顶点数目。

LOD的数目也并非等同于四叉树的层数，在非叶节点，一层四叉树对应一个LOD，顶点数目为minBatch；但是在叶节点，则包含了从minBatch到maxBatch的一套LOD列表。

         按照理论，Ogre地形LOD层数及四叉树深度计算公式如下：

LODlevels = log2(size - 1) - log2(minBatch - 1) + 1

TreeDepth = log2((size - 1) / (maxBatch - 1)) + 1

值得一提的是，由于OgreTerrain的顶点采用16位索引，所以所能索引到最大顶点数目为TERRAIN_MAX_BATCH_SIZE，这样一来，不仅仅顶点索引会根据四叉树分层，顶点数据本身也会根据四叉树分块，理论上顶点数据被分为terrainSize / TERRAIN_MAX_BATCH_SIZE块，但由于上层LOD不能跨块进行索引，Ogre会再开辟一些新的块，所以总共用到的顶点数据会多于实际数据，另外层与层之间视情况还可能共享顶点，比较复杂。根据官方的解释，这种多建顶点的办法更易实现且数目不大，所以是可接受的；更重要的是在制作超大场景的时候，大量底层顶点缓存可以在低LOD时被释放，这在降低内存占用上很重要。TERRAIN_MAX_BATCH_SIZE这一特殊设定的存在，限定了地形的maxBatch不能大于TERRAIN_MAX_BATCH_SIZE，地形本身的size不能小于TERRAIN_MAX_BATCH_SIZE（terrainSize小于TERRAIN_MAX_BATCH_SIZE会导致只有Top节点有顶点数据）。TERRAIN_MAX_BATCH_SIZE = 129，在使用时需要谨记。

 

渲染

         魔兽世界渲染地形时使用最多4层地形贴图和一张混合贴图，地形贴图的Alpha通道用于高光贴图，混合贴图的Alpha通道用于阴影。

         尽管在资源压缩利用上可能没有魔兽这么严格，但这种时下标准的地形渲染方式在Ogre新地形系统中也都得到了较完善的支持。另外Ogre地形还内建有动态阴影、顶点色图、合成图生成、光照图生成等功能，不过如没有特别需求，可以尝试适当关闭其中几个，此举能在保持基本效果的同时，为最终生成的每个地形文件省去非常可观的大小。

 

定制

每个Terrain使用一个材质，为了保证地貌足够丰富，Terrain作为最基本的渲染单元，size不能太大，terrainSize取最小值129，worldSize取100/3；而在地形分块时，由于TerrainPaging以Terrain为单位进行分页，所以只能以Terrain同时作为动态加载单元，这和魔兽不同，魔兽相当于16x16个Terrain组成一个MapTile作为动态加载单元。

         地形上每一个洞需要隐藏一个TerrainQuadTreeNode叶节点来实现，minBatch决定了非叶节点的大小，而maxBatch决定了叶节点的大小，所以maxBatch必须不能很大，考虑到wow一个单元可以开4x4个洞，所以maxBatch取(terrainSize - 1)/4 + 1为33，minBatch可自行定夺，这里取5，这样得到的LOD层数为6，四叉树深度为3。

         这种定制方案看起来更加倚重Ogre地形的分页特性，而淡化了其LOD功能。

细节上，设置地形层混合图大小为64x64；

         mTerrainGlobals->setLayerBlendMapSize(64);

         每层贴图worldSize取8为佳；

         defaultimp.layerList[0].worldSize = 8;

         不在每层使用法线和高度贴图，所以省掉这张图，同时调用：

         matProfile->setLayerNormalMappingEnabled(false);

         matProfile->setLayerParallaxMappingEnabled(false);

         同时我们关闭了动态阴影、顶点色图、合成图、光照图：

         matProfile->setReceiveDynamicShadowsEnabled(false);

         matProfile->setGlobalColourMapEnabled(false);

         matProfile->setCompositeMapEnabled(false);

         matProfile->setLightmapEnabled(false);

         如果你使用LightMap，可能会发现得到了不跨越地形的光照图，即影子会在地形边界被截断，而不是延伸到相邻地形块。这一般是由于地形块计算光照图时没有考虑进相邻节点导致的，此时相继调用Terrain的dirty()、update()函数，手动让地形块重新计算一遍，即可解决问题。实际情况中，光照图需要扩展，烘焙的时候需要加入地面静态物体的影子计算。

 

Demo

工程源码及资源可以移步此处下载，开发环境为Ogre1.7.3+VS2008，部分资源取自《魔兽世界》。

         源码中默认注释掉了PAGING宏定义，此时地形不使用分页系统，即不会动态异步加载，所以程序启动时会创建所有地形，稍等片刻，这可能会多花一点时间。

         待地形加载、构建完毕，通过H键可以显示或隐藏地形上的洞。

 

按下Ctrl+S，地形会在Media目录下保存为一个个形如Terrain_00000000.dat之类的文件，动态加载时使用的地形文件正是这些东西。

         接下来打开PAGING宏定义，重新编译，此时地形会在分页系统的管理下被动态加载，漫游场景时你会发现新入视野中的地形被动态加载，淡出视野的块则被动态删除，场景中添加了天空盒和雾，后者能较好地缓和远处地形的突兀变化。

 

在分页模式下地形挖洞的效果没有实现，这是因为设置挖洞需要等到地形四叉树及场景树构建完毕之后，如果不改写Ogre的源码，很难在异步加载的情况下定位到这些时间点，Demo仅仅演示了一种思路，而实现这样的功能无疑需要在Ogre源码上进行更多更系统性的扩展。

         其实对Ogre稍微熟悉就不难发现，源码和Ogre本身提供的地形例子基本上没有二致，所以Demo更像是对Ogre地形的定制，唯一称得上扩展的部分是setHoleVisible()函数，它用于实现在地形上挖洞。

源码对Ogre有些许修改，增加了几个用于访问地形相关类成员的函数，对照着加上即可。

         最后，记得在编译时开启Ogre多线程。