GPU Gems 2 · Chapter 2. Terrain Rendering Using GPU-Based Geometry Clipmaps

大地形的问题不是“能不能画一个网格”，而是“镜头飞得很远时，网格数据如何仍然保持可更新”。把整个地表都做成最高分辨率会耗尽存储，把每帧看见的区域重新三角化又会把 CPU 变成瓶颈。

本章采用一个反直觉的表示：地形首先是一张高程图，然后才是要被渲染的三角形。视点附近使用细窗口，远处使用更粗的窗口；这些窗口拥有固定的规则拓扑，变化通过纹理和 shader 表达。

1. 从高程图到嵌套规则网格

geometry clipmap把地形的 LOD 结构固定下来。每一层都缓存一个 n × n 的方形样本窗口，细层覆盖较小的近处区域，粗层覆盖更大的远处区域。最细层绘制完整方格，其余层通常只绘制一个环，中心已经由更细层覆盖。

规则网格的价值在于它不需要每帧决定“这个三角形应该和哪个邻居连接”。顶点和索引缓冲可以预先创建并重复使用，视点变化只影响网格的世界偏移、从哪张高程纹理取样，以及外圈的过渡权重。

如果目标是让屏幕上的三角形大小大致均匀，那么每一级窗口的世界间隔可以按 2 倍或其他固定比例增长。近处的细采样承担几何起伏，远处的粗采样承担地平线轮廓；这比让一张细网格覆盖整个世界更容易控制内存。

2. vertex texture：让高程留在 GPU

vertex texture让“网格拓扑”和“地形高度”分离。固定的顶点缓冲只描述规则网格中的 (x, y)，vertex shader 根据顶点对应的纹理坐标读取 z，再把它变成世界空间位置。

这条路径还可以延伸到 runtime synthesis：粗层高程经过上采样，再叠加当前层的 residual detail，得到细层的高度。解压、上传等仍可能需要 CPU，但插值、残差合成、法线计算和最终绘制都可以交给 GPU。核心边界是：数据可以是纹理，拓扑可以是常量，二者不必绑在同一个动态 vertex buffer 里。

一个简化的顶点阶段可以写成：

float2 worldXY = gridOrigin + footprint * gridScale;
float fineZ = ElevationTex.SampleLevel(PointSampler, uv, 0).r;
float coarseZ = CoarseElevation.SampleLevel(PointSampler, coarseUv, 0).r;
float morph = ComputeTransitionAlpha(footprint, transitionWidth);
float height = lerp(fineZ, coarseZ, morph);
outPosition = mul(viewProjection, float4(worldXY, height, 1));
outMorph = morph;

顶点与纹理样本一一对应时不需要高程的线性过滤；如果要在不同层之间连续过渡，应该显式控制采样层级和混合位置，不能让过滤器偷偷决定几何形状。

3. 窗口移动与 toroidal addressing

toroidal addressing解决的是“同一个缓存槽现在代表世界中的哪一列”。当视点向右移动，逻辑窗口左侧的一列离开视野；纹理存储中的这列位置可以环绕到右侧，接收新世界坐标对应的高程数据。

平滑移动时，新增区域通常只是窗口外缘的一条窄带。CPU 可以解压或上传这条带，GPU 则继续用固定的纹理坐标和规则网格绘制整个窗口。若一次移动跨过多个样本，就把多个窄条合并成一个更新区；若移动没有越过样本边界，则无需更新高程窗口。

这里要区分两套坐标：世界坐标决定地形采样的是哪一块地面，环绕后的纹理坐标决定数据暂存在显存的哪一个槽。把二者混成同一坐标会让相机转身后地形纹理“漂移”。

4. 环形层和跨层 morph

transition region把 LOD 切换藏在几何 clipmap 的外圈。权重可以用顶点相对于方格边界的最大距离计算：在过渡区内从 0 连续增加到 1，代表从细层逐渐靠近粗层。

只有高程过渡还不够。粗细两层的法线也会不同，因此 normal map 可以同时打包当前层与粗层的法线分量，pixel shader 用同一个 morph 权重混合，再把结果重新归一化。这样山脊不会在换层时只改变轮廓却保留旧光照，减少“地形跳了一下”的感觉。

细层与粗层的边界还必须保持可缝合。常见做法是让外圈使用约束过的网格连接模式，并让过渡宽度小于环本身；不能只靠颜色混合掩盖真实的几何裂缝。

5. residual detail 与法线纹理

residual detail让大地形可以压缩和逐级合成。粗层给出一个平滑预测，当前层只需要存或生成预测之外的差值；渲染前将两者相加即可。对合成型地形，残差可以来自噪声或程序规则；对压缩数据，残差可以来自增量解压。

法线纹理通常可以比几何窗口更高分辨率，因为每个顶点一张法线会显得过于平滑。normal map还可以把当前层和更粗层的法线分量打包进同一张四通道纹理，减少采样数量；取出后要把编码值恢复到 [-1, 1] 并重新归一化。

6. 动手实验：移动视点，观察更新面积

先预测：把视点滑杆从 48% 拖到 80%，你预计需要重新上传整张高程纹理，还是只需要更新一侧窄条？再把 transition width 调小，裂缝会消失还是更容易暴露？

实验中的彩色方框代表不同分辨率层，视点移动只改变窗口的中心位置。切换层数会改变远景覆盖范围；增大过渡宽度会让层间变化更柔和，但也会扩大同时读取两层数据的区域。勾选 runtime synthesis 时，实验用一个明确的“粗层预测 + residual”标签表示 GPU 负责合成，而不是把它伪装成真实地形数据。

小结

• geometry clipmap 用嵌套规则网格替代每帧重建的动态拓扑。
• vertex texture 把高程从可变 vertex buffer 解耦出来。
• toroidal addressing 让窗口移动只更新越界的高程条带。
• transition region 同时平滑高程和法线，减少裂缝与 popping。
• residual detail、normal map 和 shader 合作，把更多地形工作移到 GPU。