GPU Gems 2 · Chapter 1. Toward Photorealism in Virtual Botany

自然场景最难的地方不是画出一棵树，而是让镜头穿过一片很大的树林时，观众仍感觉世界有层次。逐根草、逐片叶子都是真实几何，听起来准确，却会把顶点、内存和提交次数一起推到不可控。更实用的路径是先把复杂度拆开，再决定每一层离镜头多远、以什么表示法出现。

如果不做这层管理，近处草、远处树和永远看不清的地面碎屑会争抢同一份预算。画面未必更真实，反而会在镜头移动时暴露 pop-in、重复纹理和帧时间尖峰。

1. 把自然看成四个互补层

场景分层的目的不是给美术表格增加列，而是让每层都能拥有自己的可见距离、材质、密度和更新策略。近处的草需要大量细节但单个尺寸很小；远处的树需要保持大轮廓，却不必继续展示叶片的每个洞。

一个可落地的分配方式是：草地用相机朝向的二维片组，地面杂物用少量小网格或片组，灌木用叶簇，树木近处保留主干和主要枝条，远处逐步换成更少、更大的叶簇。所有层最后仍然合成到同一个自然场景里，但它们不再共享同一个细节等级。

2. 相机周围的种植网格

种植网格把“无限世界”变成固定大小的工作集。每一层可以有自己的网格半径：草地的网格更近、更密，树木的网格更远、更稀。相机移动时，只有越过边界的单元需要回收或重新生成。

布植结果不能因为玩家转身就改变，否则远处地面会闪烁，联机玩家也会看到不同的植物位置。为此，每个单元的坐标可以参与一个确定性种子：同一个单元、同一层和同一版本的布植规则总能生成同一组候选点。这里的随机性只用来打散外观，不用来改变世界状态。

布植还有一个 CPU 预算问题。新单元可能需要收集相交多边形、过滤不适合的材质和坡度，再把合格区域转成候选点。把所有工作塞进一帧会造成镜头转向时的尖峰；更稳的做法是把单元放入队列，每帧只消耗固定数量的预算，并让网格边缘略大于可见范围，为生成留出时间。

3. 先筛选地面，再生成候选点

最直接的办法是在单元体积内反复向下发射射线，直到碰到足够多的地面点。它在简单地形上容易实现，但遇到只有一小块草地标记的单元时，失败尝试会大量浪费 CPU；有上下叠放的桥面或地形时，射线还可能选错层。

更稳定的流程是先收集与单元相交的地面多边形，再按材质和坡度过滤，最后把合格三角形扫描成候选布植点。候选点仍可以加一个受种子控制的平面偏移，打破严格重复的行列感，但偏移必须保持在三角形范围内。

对于实时系统，空间索引可以快速回答“这个单元可能碰到哪些多边形”，而不是每次从整个世界重查。这个步骤的核心边界很清楚：先决定哪里允许种植，再决定允许区域里具体种在哪里。

4. 草地：用 billboard 批量制造体积感

billboard不是一张贴在地上的图片。它保留一个世界位置，顶点 shader 再根据相机右向量和上向量，把四个角点展开成面向镜头的四边形。

一个网格单元中的草簇可以共用顶点和索引缓冲，一次提交绘制整批对象。每个顶点除了种植位置，还可以携带 corner = (-1, 0, +1) 一类的角点编码、尺寸、颜色和纹理坐标。若草簇实际适合三角形，甚至可以取消索引，直接使用 triangle soup，避免为不会复用的顶点维护索引缓存。

最小的展开逻辑可以写成下面这样；它的关键不是 API，而是“位置只存一次，角点在 GPU 展开”：

float2 corner = inCorner; // 每个角点的 -1、0 或 +1 编码
float3 world = inPlantPosition
             + corner.x * cameraRight * inSize.x
             + corner.y * cameraUp    * inSize.y;
outPosition = mul(viewProjection, float4(world, 1.0));
outColor = inTint;
outUv = inAtlasUv;

为了不让整片草看起来像复制粘贴，可以在布植时翻转 U 坐标，从纹理图集中选择不同草簇，并给顶点传递轻微色调。这个变化应该来自确定性种子，而不是每帧重新随机。

5. 无排序的远处淡出

alpha-test dissolve把透明问题转换成裁剪问题。草纹理的 alpha 先乘上噪声，再根据对象到相机的距离调整阈值；阈值升高时，更多片元被丢弃，草簇就像被风吹散一样淡出。

这会牺牲一部分连续透明的平滑度，却避免了透明混合的排序要求。自然纹理本身边缘不规则，噪声带来的碎片化通常比硬切一整片四边形更不显眼。注意一次批处理往往只能共享一个阈值，所以阈值最好按网格单元的代表距离计算，或者把距离相近的单元分成更小批次。

6. 灌木和树木：把预算花在轮廓上

树木近处最值得保留的是树干、主枝和整体体积；二级枝条与叶片可以用叶簇片组补足。随着距离增加，level of detail（LOD）逐级减少几何，同时使用更大的叶簇纹理保持树冠轮廓。

树木的纹理最好合并成图集，让同一批次能覆盖多个叶簇和不同树种。图集中不同子图之间要留出边界，否则 mipmap 采样会把邻近叶片的颜色带进当前子图。对于不对称树冠，可以准备多个观察角度的远景图，再按相机与树的相对方向插值，避免单张 billboard 在侧面完全露馅。

7. 近似阴影和场景收束

shadow-feeler只回答一个视觉上足够有用的问题：这个草簇是否大致处在树根或树冠的阴影里？命中时把对象颜色向环境色移动，未命中时保留更多太阳光。它不追求每片叶子的精确阴影，而是用低成本的明暗线索让密集植物不再像同一张平面贴图。

用三条或五条起点略有偏移的射线，可以用命中比例近似软阴影。这个测试可以在布植时计算，也可以在太阳缓慢移动时周期性重算；如果系统已经有离线 lightmap，直接读取其中的遮挡信息可能更稳定。

最后，天空穹顶的高光区域和全屏 glow 可以把草叶、树枝与天空的关系粘合起来。后处理不是用来拯救错误的几何，而是给已经分好层、完成批处理和基础光照的场景加一层统一的光学气质；过强的 glow 只会让整个世界发白。

8. 动手实验：改一层，观察预算如何变化

先预测：把密度滑杆从 70% 拉到 100%，你预计变化最大的是“草的数量”还是“提交次数”？再切换到树木层，为什么同样的网格不会显示同样多的对象？

实验使用固定的候选点表模拟布植器。实际引擎会从地面几何、材质和种子计算这些点；这里故意把生成结果固定下来，让你只观察层级、密度、风摆和遮挡近似四个因素。切换到树木层时，数量会少，但每个对象的轮廓预算更大；切换阴影时，中间区域会被调暗，而不会改变植物的生成位置。

小结

• 用分层管理不同尺度的自然细节和距离预算。
• 用相机跟随网格控制内存和每帧布植工作量。
• 用确定性种子保证镜头往返时的世界一致性。
• 用 billboard 批处理和 alpha-test dissolve 降低提交与排序成本。
• 用 LOD、shadow-feeler 和 glow 把剩余预算花在整体观感上。