天美高階TA：淺談大世界場景自動生成技術

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中國遊戲行業發展至今，從專業到分工，正在經歷哪些變化？天美聯合騰訊遊戲學堂，舉辦“遊戲是門技術活兒：專業技能探祕”知乎圓桌活動，本文為圓桌議題“2022 年，有哪些遊戲領域的新技術令你期待？這些技術可能催生出什麼樣的遊戲內容？”下的回答，希望對大家有所幫助。

作者：AllenP
騰訊天美J2工作室高階技術美術

本人是一名負責程式化生成方向的 TA，個人興趣領域主要在大世界場景自動生成方向。

以往的場景生產基本都依賴於美術自由發揮，這樣雖然可以更好地發揮美術的藝術創造力，但需要大量的人工來堆砌資源，而且一旦場景設計做了修改，整個場景的美術資源基本都需要推倒重做，因此傳統場景生產的開發效率和修改成本都比較高。

為了能夠加速場景的生產效率，程式化生成技術就成了不二的選擇，這也是我目前最關注的新興技術之一。

在程式化生成的流程搭建中，程式化 TA 主要負責模組拆分的設計，生成規則的抽樣，生成演算法的實現，以及程式化生成工具流的搭建。

基於資料來源，很多東西都是可以通過程式化生成來製作的，如地形地貌的生成，河流的生成，植被的生成，基建的生成（道路，橋樑，建築，街區），氛圍的生成（如材質受酸雨的腐蝕，建築從上自下的髒跡）等。

簡而言之，程式化生成技術可以在僅需提供少量曲線資料，以及模組資源的情況下，自動化地將整個場景生成出來。

程式化生成具體是如何實現的？主要分為幾個步驟。

01、獲取資料來源

如河流的分佈，湖泊的範圍輪廓，道路的分佈資訊，建築的輪廓資訊等，這部分一般可以使用曲線+屬性的方式來表述。


地形一般是用均勻的網格+高度圖來描述，網格一般是由引擎執行時生成的，因此如何生成地形實際就是如何生成這張高度圖。

如果是基於真實的地圖資料，可以在網上下載對應區域的 DEM 資料（數字高程模型），或者可以通過演算法進行迭代生成，比如使用噪聲圖疊加，熱力侵蝕，水侵蝕等演算法進行擬合。

道路，河流可以由曲線表示它的長度和走向，通過每一段標識的屬性可以獲取名稱，寬度等資料，以及地形的高低走勢，程式化生成出道路的模型，河流模型。生成時還要考慮一些約束對地形的影響，比如在起伏的山林中，道路始終是平整的，並且坡度不能超過一定的閾值。

建築，湖泊部分則可以通過封閉的曲線來獲取其在場景中的位置，通過型別屬性，來確定建築的生成風格，通過高度屬性來獲取建築有多少層等。

曲線資料的來源一般有兩種，一種是基於真實地圖資料的遊戲場景（比如可以通過 OpenStreetMap 下載地圖資料）。另一種方式是通過自己手動編輯曲線的方式來佈置路網。

02、對資料的補齊

除了通過手動編輯補齊外，還有一些自動補齊資料的方法。

比如通過路網資料，我們可以將地圖劃分為多個街區，可以自己設計演算法，對每個街區進行建築的填充，演算法除了可以考慮建築的分佈方式外（如寫字樓，可以採取沿街分佈，獨棟建築可以採取中心分佈），還可以根據街區的型別，去匹配不同型別，不同高度的建築群（如商業區，住宅區），最後由建築間形成的“縫隙”可以獲取到小路的資料資訊。

又比如，可以結合地形的高程資訊，水域的分佈資訊，地貌資訊，城鎮分佈資訊等，生成植被分佈的點雲資料。如果對生成的結果不滿意，也可以手動通過刷範圍的方式,人為地控制植被的分佈區域及種類。

03、將資料通過演算法轉化為 3D 模型

生成方法分為兩種，一種是通過演算法生成獨立的模型，這種方法比較適用於遊戲中特殊模型的生成，如不規則的交匯路口，弧度比較大的護欄等。

另一種是使用預先準備好的資產，根據一定的規則，將模型分佈在對應的點雲資料上。比如草，樹木，路燈這種一個點雲代表一個物體的。又或者是類似於建築模組這種，一組點雲資料代表一個物體的，如圖：


大型建築立面的牆可以用幾種模組拼接生成。這種拼接方式的好處是能夠節省模型、貼圖的資源量，並且在遊戲中可以使用 Instance Draw 的方式進行繪製，從而降低實時渲染的開銷。

04、場景裝飾物的填充和環境氛圍的填充

比如建築的掛件，街道上的路燈，護欄等。這些都可以通過抽樣一些分佈規則，通過自動撒點的方式進行生成。

比如如果設計師希望表達一種偏末世的場景，可以根據地勢的走向，對場景生成一些環境氛圍元素，例如：被水淹過的道路上可以生成一些青苔，建築上可以生成藤蔓，根據不同季節，植被顏色，茂密程度可以有所調整，被海嘯襲擊過的區域植被，地形損毀程度的模擬等。

在大世界的程式化生成方向，最近令我印象比較深刻的內容是由 Epic Games 推出的《黑客帝國覺醒：虛幻引擎 5 體驗》。


這款技術 Demo 介紹了一套完善的、基於 Houdini 的現代城市的程式化生成方案，它不僅考慮瞭如何對真實物件效果的還原，還考慮到了如何使用更省的方式實現效果，從而減少效能及資源量方面的壓力。

比如，在建築生成上，介紹了一套如何生成現代建築的完備方案，包括如何對建築模組進行合理的拆塊兒，如何對建築進行拼接，如何使用 Instance Draw 來降低渲染壓力，以及一些製作時防止模組穿插的小技巧，如對銳角，鈍角類建築轉角模組的處理，通過一個通用的連結角來杜絕模型拼合可能引起的穿幫現象。

比如，在材質製作上，介紹瞭如何實現基於深度的 3D 假室內的效果，不但表現效果可以模擬真實的室內場景，而且從效能方面考慮，用單個材質渲染代替了真實的 3D 室內場的模型渲染，有效降低了效能開銷。

虛幻商店也給到了這個專案的資源包，可以直接檢視該工程的所有資源和程式化生成製作的相關外掛。通過對這個工程進行深度分析，可以幫助我們零距離地瞭解如何用工業化的方式去生產 3A 品質的遊戲，同時也可以自己去實踐如何去生成新的世界。

最後暢想一下這項技術的未來。現在的工業化生產，主要還停留在開發者應用的階段，未來如果把 Houdini 的這一套生成演算法搬到遊戲引擎中，結合實時光照，GI 的特性，可以使這個編輯器功能轉變為玩家 DIY 的遊戲功能，比如實現自由度更大的建造系統，自定義關卡設計等。讓玩家能夠體會到生產高質量場景的快感。

對於 TA 來說個人覺得有幾個方向可以去深入研究：

1. 如何對演算法進行加速，使平常要花費幾分鐘的生成工作，可以在幾秒鐘甚至毫秒時間內完成。比如可以考慮把演算法搬到 ComputeShader 中，利用 GPU 的並行度進行加速，也可以考慮採用多執行緒，分塊等方式將需要計算的超大任務，拆分成更小的任務塊分多次處理。

2. 如何將枯燥的編輯工具，變得好玩。一方面在編輯方式上考慮更加貼合玩家的使用習慣，一方面可以增加一些編輯時的動效，比如畫線時帶上一些拖尾效果，生成物件時增加一些有趣的出場方式等。

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來源：TiMi Club 天美俱樂部