Houdini技术体系 基础管线（四） ：Houdini驱动的UE4植被系统 上篇

背景

之前在《Houdini技术体系 过程化地形系统（一）：Far Cry5的植被系统分析》一文中已经对AAA游戏中过程化植被的需求有了一定的定义，后续工作就是如何用Houdini开发功能需求定义的节点，以及对应UE4的Houdiin Engine来制定过程化管线。Houdini的HDA的开发放在过程化地形系统部分讲解，这里主要是讲解工作流程的制定。FC5的分析之前，也大致介绍了UE4的植被系统。这里再确定下植被系统工作流方面的需求：

• Houdini Input：UE4 要输入什么给Houdini
• 所选择Landscape Component部分的地形信息
• 美术提供的选择区域，可以是绘制的Mask，也可以是Curve的选框
• 与HDA中对应的植被资源参数，简单的可以用Houdini Engine ，完善一些的话最好是一个json或xml的描述文件，或者UE4的DataTabel。
• 除了HeightMap外的Mask信息，还有峭壁，湖泊，电线杆，栅栏等不能摆放植被的区域Mask

• Houdini Ouptut：Houdini要输出什么给UE4
• Entity Point Cloud：每个点包含了对应的植被实体，以及实体的Positon，Rotation，Scale等Transform信息
• Terrain  Data：例如树根对地形隆起的变化，树根部分对地表材质Mask的影响，地表的颜色等
• Mask Data：草体布局信息的Mask贴图

• UE4植被系统的支持
• Houdini Instance与UE4 Foliage Type的Instance的对应
• Houdini Biome Mask与UE4 Grass Type的对应
• Houdini闭环修改与UE4 Foliage System的对应。

 

那么，这里就以实现这些需求为目标，介绍下实现基于Houdini的UE4植被系统的基础管线所要注意的事项。

Houdini的Input设置

    在之前FC5的植被系统的需求分析中也可以得知，最新的AAA游戏中，一平方公里场景里就有60w左右的植被实体，而最近的一些UE4大世界游戏和手游，也通常在6x6~8x8km左右。在策划和美术的迭代开发中，每次都要生成整个场景的植被再看效果的话，会极大的影响开发效率，对大团队的多人协作开发也很不友好。所以这里也要像之前的地形管线一样，以FC5的过程化系统为原型，可以支持美术或策划来选择和绘制生成区域，让Houdini的过程化生成只影响这一部分选择区，这样不但可以利用UE4的WorldComposition的功能多人工作，也可以通过UE4自带的绘制Selection Region Tool，让美术更进一步的控制过程化的影响区域，减少生成时间，提升迭代效率。

 

如下图所示，FC5的植被系统，支持类似UE4的Component和Paint Region来作为Terrain Data，

    

 

在上文中，也总结到UE4里FC5植被系统的Input，有以下几项：

• 所选择Landscape Component部分的地形信息
• 美术提供的选择区域，可以是绘制的Mask，也可以是Curve的选框
• 与HDA中对应的植被资源参数，简单的可以用Houdini Engine ，完善一些的话最好是一个json或xml的描述文件，或者UE4的DataTabel。
• 除了HeightMap外的Mask信息，还有峭壁，湖泊，电线杆，栅栏等不能摆放植被的区域Mask

    

    关于如何确定Input Terrain Data，Landscape Component的选择在地形管线部分已经几次讲到了。幸运的是，UE4除了Component Select Tool之外，在Terrain Sculpt Tool里提供Region Selection Tool的功能，这个要比Component Select Tool更加灵活和便捷。但和Component Select Tool一样，这个功能对原生的Houdini Engine并不适用...

如上图所示，Region Selection Tool是Terrain Sculpt Tool里的功能，不过可以借用这个功能来作为Input的Mask Paint来使用。接下来看下怎么扩展Houdini Engine把这个Mask作为Input传到Houdini里去。

    Region Selection Tool绘制的Mask的方式，当使用者绘制时，会在FLandscapeToolStrokeMask::Apply函数里根据笔触和权重值，把绘制值添加到class ULandscapeInfo的TMap<FIntPoint,float> SelectedRegion 里的，只有绘制过的区域才会保存在SelectedRegion里，其中FIntPoint代表的是在Landscape里的XY位置信息，作为整型保存，而float为绘制Mask的权重。

    拿到了SelectedRegion后，就是要在Houdini Engine里把它作为Mask，输入到HDA中进行处理。Houdini Engine是在FHoudiniLandscapeUtils::CreateHeightfieldFromLandscapeComponent函数里对Height Data和Mask Data进行Input打包的，这里选择在这个函数里加入SelectedRegion的Mask的打包工作。

    首先，是根据Houdini里一个Landscape Component的大小MaxX x MaxY，创建出对应的SelectedRegion大小的Mask数组。在LandscapeInfo的SelectedRegion里查找每个点的信息，如果有就复制到对应位置，没有则设置为0。这样，提供给Houdini使用的SelectedRegionData就完成了。

   TArray<float> SelectedRegionData;
　　for (int32 X = MinX; X <= MaxX; X++)
　　{
　　　　　　for (int32 Y = MinY; Y <= MaxY; Y++)
　　　　　　{
　　　　　　　　float RegionSelect =  
　　　　　　　　LandscapeInfo->SelectedRegion.FindRef(FIntPoint(X, Y));
　　　　　　　　SelectedRegionData.Add(RegionSelect);
　　　　　　}
　　}                

　　

接下里，跟LayerMask同样的方式，通过C++代码创建一个名为SelectedRegion的Mask节点，并跟其他的Volume Merge到一起。

 

　　FString LayerName = "SelectedRegion";

　　HAPI_NodeId LayerVolumeNodeId = -1;
　　if (!CreateVolumeInputNode(LayerVolumeNodeId, LayerName, ParentId))
　　　　return false;

　　HAPI_PartId CurrentPartId = 0;
　　if (!SetHeighfieldData(LayerVolumeNodeId, CurrentPartId, 
　　　　SelectedRegionData, SelectedRegionLayerVolumeInfo, LayerName, 
　　　　ComponentIndex))
　　　　　　return false;

　　if (!CommitVolumeInputNode(LayerVolumeNodeId, InputMergeNodeId, 
　　　　MergeInputIndex))
　　　　return false;

　　MergeInputIndex++;            

　　

另外，ULandscapeInfo提供了把绘制的SelectedRegion转为Selected Component的功能，这样绘制过过程化的影响区域后，就不用再选择一次Landscpe Component了。这个修改也很简单，在FHoudiniEngineUtils::HapiCreateInputNodeForLandscape函数里，当没有selected components时，就把绘制的区域转换成SelectedComponents。

if ( LandscapeInfo )
{
　　// Get the currently selected components
　　SelectedComponents = LandscapeInfo->GetSelectedComponents();
　　// 如果没有selected components，则从绘制区域获取selected components
　　if (SelectedComponents.Num() == 0)
　　　　SelectedComponents = LandscapeInfo->GetSelectedRegionComponents();	
}        

 

把名为“SelectedRegion”的Mask作为Input输入到HDA后，需要在HDA里对应这个Mask Layer来识别。在HDA的Heightfield Noise节点里，把SelectedRegion作为Mask Layer来使用

 

这样HeightField只有在有Mask的部分会有Noise的效果，这个同样也可以用在植被的Entity Point Cloud的生成上。

 

下图的效果，就是在绘制的'X'的区域内，对9个Landscape Component产生噪声变化。

 

绘制选区通常是控制比较大的区域，而如果是要生成小范围的区域，建议像下图这样用Curve Input来控制区域了。

    如何创建一个Curve Input的方法，在Houdini技术体系 基础管线（三） ：UE4以选择区域的方式对地形做生成和更新 上篇 和官方文档 https://www.sidefx.com/docs/unreal/_curves.html里都有详细介绍，也是有创建SOP或添加Operate Path两种方法。这里就不多做叙述了。

 

    除了HeightData选区外，Input还需要有摆放的UE4植被列表（Biomes List），植被列表通常是用xml，json，或者ue4的datatable来记录每种植被在HDA节点里属性以及在UE4中使用资源的对应关系。然后在HDA里通过Python脚本来加载读取，即便是比下图FC5用例更复杂的HDA节点串联和配置，也可以借助Python自动化，完全摆脱人力基于配置文件自动化的创建和连接。Houdini的Python脚本使用在后续的基础管线部分讲解，本节出于篇幅关系，使用Geometry Input作为简化版的Biome Input。

 

  而类似各种像湖泊，峭壁，电线杆等的Mask过程化生成的Mask，这里假设你已经通过其他方式导出了Mask图，或者准备在Houdini里通过Mask By Feature或Mask By Object来生成。在管线部分也就不浪费篇幅了，会在之后具体的地形篇的植被制作部分再做详细介绍。

 

HDA的制作以及Ouput的对应

FC5的HDA的Output分为两大类

• Entity Point Cloud
• Terrain Data

    基于Input生成Entity Point Cloud的原理非常简单，在去年的在 Houdini HIVE at SIGGRAPH 2017上，Procedural Scattering in Houdini Engine and Unity 的Talk上介绍的就涵盖了全部的基础知识。就如下图所示，根据Terrain，Curve以及资源实体的Inptu，按一定规则在引擎里进行过程化摆放。

视频链接：https://vimeo.com/228231127  ，对应hda的下载地址：https://www.dropbox.com/s/iv840ldw5tn4lw1/scatter_tool.hda?dl=0 。虽然跟FC5的实现相比还有不小的差距，在管线篇中作为基础参考绰绰有余，有兴趣的可以下载来看看。这里也借用它简单介绍下使用的相关节点和功能。

下图中，Setup中的三个Input，分别对应的Terrain Data，Curve Select和Biome Instance。

 

这里先创建个临时的Terrain和Curve来做测试使用。

结果就是在Curve选择范围的Terrain上，随机Scatter了一定数量的Entity，这里用红色的Box作为代理体显示。

 

这里参数不变，把scatter换成heightfield scatter

 

这样，只有绘制了Mask的红色区域才会被放置Entity。

 

但是示例的这个Scatter Tool也有不适用的地方。首先就是把物体赋予到Entity Point Cloud的Copy节点，并不能对应UE4的Instanced Mesh，这样Output到UE4里的话，每个树木实体都会创建为一个Static mesh，会让过程化生成和最后运行的效率都变得非常差。最好映照按照官方文档的建议，用支持Instance的Copy to Point节点替换掉Copy Stamp节点。

 

这里根据地形坡度生成mask，然后把Mask转为Point Cloud来摆放树木，来比较Copy to Point节点和Copy Stamp节点的区别。

这里使用heightfield_maskbyfeature，生成Slope为20~70范围的Mask。在一块小的地形上生成100颗树来对比下生成效果。

 

首先是用Copy Stamp节点，选择好地形和植被实体后，经过20~30秒的卡顿后，有90多个植被生成出来。这个生成的时间和植被数量比，使用体验很难让场景美术接受。

 

不论是Bake成BP还是Actor，所有的树都会被Batch成一个Static Mesh，这样对图形程序做植被渲染优化也非常不友好

 

和Copy Stamp那20多秒的处理时间相比。。替换为Copy to Point节点，在选择完Input的植被实体和地形后的瞬间（1秒内），几乎没有感觉到任何延迟的，就完成了100颗树木实例的摆放工作。

把植被Bake成一个BP后，可以看到所有的树木被Bake到一个Instanced Static Mesh组件里，而每颗树作为一个Instance保存。也正是因为它采用的Instance的方式，才会有那么快捷的生成速度。这个效率对场景美术迭代来说足够了，但InstancedStaticMesh并不支持LOD模式，用来批量放置的植被实体原有的LOD信息也丢失了。这里应该是创建HierarchicalInstancedStaticMeshComponent才能支持LOD。

 

    如何生成HierarchicalInstancedStaticMeshComponent的Actor或BP，可以参考 void UHoudiniAssetInstanceInputField::AddInstanceComponent( int32 VariationIdx )的函数。当Static Mesh有多个LOD时，Houdini Engine会用HierarchicalInstancedStaticMeshComponent替换Instanced Static Mesh

UInstancedStaticMeshComponent * InstancedStaticMeshComponent = nullptr;
if ( StaticMesh->GetNumLODs() > 1 )
{
    // If the mesh has LODs, use Hierarchical ISMC
    InstancedStaticMeshComponent = NewObject< UHierarchicalInstancedStaticMeshComponent >(
    RootComp->GetOwner(), UHierarchicalInstancedStaticMeshComponent::StaticClass(), NAME_None, RF_Transactional);
}
else
{
    // If the mesh doesnt have LOD, we can use a regular ISMC
    InstancedStaticMeshComponent = NewObject< UInstancedStaticMeshComponent >(
    RootComp->GetOwner(),UInstancedStaticMeshComponent::StaticClass(), NAME_None, RF_Transactional );
}

　　

这里保证树的实体有LOD，并且在HDA Input 勾选Export LODs    

再次Bake，可以看到是HierarchicalInstancedStaticMeshComponent，每个Instance也有之前的LOD信息了。

 

    姑且算是支持了最基础的Entity Cloud Point的Output，但距离实际项目需求还很遥远，就像Input需要支持Biomes List配置表的读取一样，Output出于维护和调试的考虑，最好也是能支持Biomes List的输出，而且，虽然提供给场景美术绘制影响区域的功能，但BP的保存方式，对Houdini的闭环迭代也并不足够的友好，当美术需要对一些细小地区做频繁迭代时，新生成的植被如何去替换BP里已经生成植被也是个问题，解决方法只能整个BP对应区域重新生成一次。这需要美术在设计初期就对植被布局策略和种类考虑清楚。还有就是UE4除了Foliage Type外，还有Grass Type的植被的支持。这些会放在之后如何UE4植被系统整合的部分来讲解。

 

FC5的植被系统除了Entity Cloud Point之外，还有以下的Terrain Data的Output。

其中Terrain HeightMap和Forest Mask，都可以通过之前地形管线中介绍的方法传递给UE4，而Texture ID，因为FC5的地形渲染有TextureArray支持，而UE4则受限于每个Component4个Landscape Layer的限制，所以Layer与Texture的对应又是在Mateiral里绑定的，需要修改UE4引擎源码才能支持，但这就超出Houdini技术体系范畴了。这里介绍一个临时的折中办法，通过直接去修改约定好的对应的Layer的Mask权重的方式，来实现UE4里要根据输出的Houdini Output的去改变Layer的Texture ID的需求。

 

首先，用RegionTool绘制一块区域来生成植被

 

这里就只简单的根据绘制的Mask部分Scatter生成Point Cloud，效果如下

 

接下来实现一下Terrain Data的Output的功能，不论是Terrain Texture还是Terrain Deformation的输出原理上都是在植被一定范围内生成Mask，再把这个Mask转化为Layer Data或者Height Data，传递给UE4。

 

出于跑通管线的目的，这里在HDA里做一个简单的实现。在houdini里根据Scatter生成的Point Cloud，使用Sphere来生成出Mask，再根据这个Mask来提升地形高度，并把Mask输出位树根部所对应的Landscape Material Layer的值。

在测试场景上选择一个生成区域

有摆放植被的周围地形改为了另外一种Layer。

树根附近的地表高度也被提升了。和FC5那种按照树根形状来提升高度的效果相比还是有差距。

 

总结

上篇中，简单的介绍了如何在UE4里实现类似FC5植被系统的管线，但还有问题等待解决

• 虽然植被实体可以被Bake为HierarchicalInstancedStaticMeshComponent或InstancedStaticMeshComponent来近似UE4Foliage Type的渲染方式，但并不支持GrassType的类型。
• Point Cloud生成的植被只能Bake为场景中的Actor或BP而不是Foliage Type，并不能与UE4的Foliage System融合，在迭代和修改中增加了额外的负担。
• 示例中的HDA只支持1种植被，生成策略也非常简单，而且也不支持BiomeList的读取，和FC5有相当大的差距。

对于前两点，会在Houdini驱动的UE4植被系统 下篇中有进一步解决方案的介绍，只有整条UE4的植被基础管线完成后，才能把鱼FC5近似的Houdini功能集成到UE4里，这部分HDA的制作会在地形系统篇中进行具体讲解。