飛揚(yáng)天下

最近拿到SpeedTree資料,開始學(xué)習(xí),并用到項(xiàng)目里去.

1.  該插件的特點(diǎn):
api無關(guān)。它本身只是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和邏輯架構(gòu)，沒有任何渲染語句子，因此為了把它應(yīng)用到自己的引擎里，需要為之添加渲染相關(guān)的語句。而根據(jù)sdk的講解，推薦用戶為之搭建中間架構(gòu)，用來聯(lián)系SPEEDTREE與自己的引擎。這樣做起碼有兩點(diǎn)好處，搭建的中間架構(gòu)（也推薦別加任何api相關(guān)的語句），因此，即使你以后換了api(譬如從gl換成dx),中間架構(gòu)還是可以繼續(xù)沿用的。還有一個好處就是，當(dāng)speedtree更新版本的時候，你也無須修改你的引擎，而只需要修改相對簡單而且穩(wěn)定的中間架構(gòu)。

2.  該插件的具體特性：
注意，下面具體特性分析都是基于SDK里一個叫“DirectX9”的例子進(jìn)行的,在這個例子里，它給出了最基本的使用方法，同時也向用戶展示了它的基本特性。
A.  樹的基本渲染
通過大場景的測試，DP的個數(shù)大致是樹木棵數(shù)的兩到三倍。詳細(xì)分析下，發(fā)現(xiàn)
它一棵樹分三部分繪制：樹干和大樹枝(branches)，小樹枝(fronds)，樹葉(leaves)
Branches：使用模型來繪制
Fronds：使用兩個十字交叉的面模擬小樹枝，為了節(jié)省三角形。
Leaves：使用billboard方式繪制，這樣就能產(chǎn)生視覺效果比較好的葉子了。
它這樣劃分是出于以下三方面的考慮：這幾部分的渲染狀態(tài)不一樣，動畫的狀態(tài)不一樣，做LOD的時候也不一樣。具體看下面的介紹。
B.  樹的陰影系統(tǒng)
它包括兩方面的陰影。首先是樹干上的陰影。其次是整棵樹在地面的投影。
樹干的自陰影（self shadow）是預(yù)先生成的，至于生成的算法，可能是可以根據(jù)可穿透的光線跟蹤，也可能是結(jié)合shadow map的逐象素地生成光照貼圖（把樹干的面都展開后，在對應(yīng)的地方畫上陰影）.有了該光照貼圖，那渲染樹干的時候就可以跟樹干本身的紋理進(jìn)行混合產(chǎn)生比較真實(shí)的效果。
而整棵樹在地面的透影子，則是使用一個矩形畫出來的，陰影貼圖也是預(yù)先生成好。渲染的時候浮在地面。
C.  樹的動畫
樹的三部分的動畫狀態(tài)都是不一樣的。這對優(yōu)化有極其重要的作用。風(fēng)小的時候，或是樹離眼睛比較遠(yuǎn)的時候，可以不動樹枝，而只是動樹葉。而具體他們是怎么動的：
樹葉的動畫：就是一個billboard的來回平移以及他本身繞視坐標(biāo)系統(tǒng)Z軸的轉(zhuǎn)動。
樹枝的動畫：通過它引擎本身計(jì)算出來的矩陣進(jìn)行動畫。
而至于它具體怎么渲染動畫的，它提供了基于CPU和GPU的方法。
基于CPU的方法是：創(chuàng)建頂點(diǎn)緩沖的時候， 使用D3DUSAGE_DYNAMIC | D3DUSAGE_WRITEONLY標(biāo)記（這種方法能提高CPU修改和更新該緩沖的速度）,渲染的時候?qū)崟r更新頂點(diǎn)位置。
基于GPU的方法是：通過自定義的頂點(diǎn)shader程序進(jìn)行，更新動畫的時候，向shader傳遞常量數(shù)組。
D.  樹的光照
它可以打開和關(guān)閉實(shí)時光照，對于實(shí)時光照，樹干部分又分兩種情況，對于沒有法線貼圖的樹干，使用per-vertex的光照。而對于有法線貼圖的，則使用per-pixcel光照。至于給不給樹干渲染法線貼圖，則根據(jù)具體的程序決定。
而對于樹葉的渲染，因?yàn)樗且粋€billboard，因此也無法通過其法線來計(jì)算光照。它其實(shí)是根據(jù)這個 billboard的位置來確定其亮度的。通過把整棵樹當(dāng)成一個球來分析，而每個billboard的位置就相當(dāng)于是球上的一點(diǎn)，結(jié)合光的方向，計(jì)算出該點(diǎn)的亮度。
E.  LOD的特點(diǎn)
其強(qiáng)大的LOD系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的場景提供了有力的支持。這里的LOD分三方面：頂點(diǎn)的LOD，紋理的LOD，動畫的LOD。
（1）  頂點(diǎn)的LOD：首先是針對樹干，因?yàn)檫@里的樹干是實(shí)實(shí)在在的模型。至于樹干的建立，它里面是采用貝塞爾曲線來描述整個mesh的，貝塞爾曲線的描述方式無疑給即時高效率的LOD計(jì)算提供了可行性。同時這還針對樹枝，遠(yuǎn)了之后，小樹枝就不渲染了。到了一定的距離的時候，整棵樹其實(shí)就變成一個billboard了。
（2）  紋理的LOD：樹干上在最高精度的時候會有三套紋理：基本紋理，光照貼圖，法線貼圖。隨著LOD的進(jìn)行，可以依次減去法線貼圖，光照貼圖，最后是本身貼圖，最后只為樹干渲染一種顏色。
（3）  動畫的LOD：現(xiàn)在有三種動畫，大樹枝（模型）的動畫，小樹枝（兩個交叉面）的動畫，以及樹葉的動畫。隨著LOD的進(jìn)行，依次去掉大樹桿的動畫，小樹桿的動畫，最后是樹葉的動畫。這也是符合視覺效果的。
F.  文件系統(tǒng)
用場景來分析的話，一個場景是.stf文件（Speed Tree Forest）.該文件描述了每棵樹的相關(guān)屬性。而一棵樹是通過一個.spt（Speed Tree）文件來描述的.用文本編輯器打開，就能看到里面記錄了該樹的所有信息。而該插件為此開發(fā)了配套了樹木編輯器材。使用該編輯器，打開.spt文件之后，就可以對該樹進(jìn)行瀏覽以及編輯。
3．Speedtree使用實(shí)踐
它提供給用戶的一個最主要的類就是CSpeedTreeRT.這是一個speedtree對外界的接口，從SpeedTreeRT.h中可以看到，這個類其實(shí)是包括了該插件的核心類.因此，我們在使用該插件的時候，其實(shí)全都是通過這個接口。
譬如CSpeedTreeRT::SetCamera(eye, viewDir)，通知它內(nèi)部現(xiàn)在的攝像機(jī)的信息，然后它內(nèi)部就根據(jù)這些信息計(jì)算出正確的billboard.
而如何加載一棵樹呢？使用CSpeedTreeRT::LoadTree(const char *treefile);輸入一個”.spt”文件，然后我們設(shè)置光照和風(fēng)效果的方法如CSpeedTreeRT::SetBranchWindMethod，SetFrondWindMethod，SetBranchLightingMethod，SetLeafLightingMethod， SetLodLimits等，接著執(zhí)行CSpeedTreeRT::Compute(),然后它里面就開始進(jìn)行黑盒處理，最后我們就可以獲取其幾何數(shù)據(jù)(CspeedTreeRT::GetGeometry)進(jìn)行渲染。獲取之前還可以手動去設(shè)置LOD級別CSpeedTreeRT::SetLodLevel,然后你獲取到的就是經(jīng)過LOD處理的幾何數(shù)據(jù)。
不過有一點(diǎn)需要要注意的是，speedtree里面用的是右手坐標(biāo)系(盡管它說可以通過define Y_UP來改變坐標(biāo)系統(tǒng),但我沒發(fā)現(xiàn)define改了之后有什么變化,很奇怪)。筆者開始的時候完全沒注意到這點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)搬到自己的架構(gòu)后，樹全都是橫著的。當(dāng)時死活發(fā)現(xiàn)不了問題，就去旋轉(zhuǎn)每棵樹。然后又發(fā)現(xiàn)那些樹葉也無法正常地旋轉(zhuǎn)成billboard,又查了很久。后來終于發(fā)現(xiàn)，是因?yàn)閟peedtree內(nèi)部使用右手坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算。而我的架構(gòu)是使用左手，這樣一來，連傳給speedtree camera的數(shù)據(jù)都要修改了, CSpeedTreeRT::SetCamera(eye, viewDir),其中的eye,eyeDir,都得經(jīng)過變換再傳進(jìn)去:
float3 viewDir=pCamera->GetViewDir();
float3 eye=pCamera->GetEye();
  float afDirection[3];
  afDirection[0] = viewDir.x;
  afDirection[2] = viewDir.y;
  afDirection[1] = -viewDir.z;
  CSpeedTreeRT::SetCamera(eye, afDirection);
4.把speedtree加到自己的引擎中去
以上所說的CSpeedTreeRT接口，筆者在使用的時候都是讓一個CSpeedTreeRT對象匯聚到自己設(shè)計(jì)的一個tree類里。通過這種方式來封裝speedtree,搭建中間架構(gòu)。CSpeedTreeRT這接口也許多靜態(tài)函數(shù)，譬如SetCamera，參照它的DEMO，
直接“CSpeedTreeRT::SetCamera(eye, eyeDir);”但要實(shí)現(xiàn)完美地跟自己的引擎相結(jié)合，也并不是一件容易的事情。主要是，自己的引擎本來就有一套完整的渲染系統(tǒng)，LOD系統(tǒng)，動畫系統(tǒng)，而且跟speedtree的方式也不一樣。一個極端的做法就是，對于SpeedTreeRT,屏蔽其實(shí)時計(jì)算，而是根據(jù)自己引擎的系統(tǒng)計(jì)算，這樣的話， 其實(shí)是只利用了SpeedTree的數(shù)據(jù)結(jié)果了。而另外一個極端就是，不管 speedtree和自己引擎的關(guān)系，只保留簡單的耦合，各自使用各自的系統(tǒng)，只是讓他們的渲染行為（LOD，光照效果等）保持一致性。至于更好的辦法，筆者也是在研討中，我非常希望能跟讀者進(jìn)行探討，這也是筆者寫本筆記的動機(jī)之一。