GPU Gems 3 · Chapter 4. Next-Generation SpeedTree Rendering

先看一棵“太像模型”的树

想象你用相机拍一棵树：树干内部的纹理已经很清楚，但枝条边缘仍像被尺子切过一样笔直。观众不需要知道多边形数量，只要看到这条过于规整的轮廓，就会立刻察觉它是模型。

本章解决的问题是：怎样在不把整片森林都换成高密度网格的情况下，补上枝干轮廓、叶片阴影、背光颜色与透明边缘？如果把所有细节都交给一种纹理或一个 shader，近景会失真，远景又会浪费 GPU；更好的做法是让每个症状回到它真正所属的阶段。

1. silhouette clipping：给低模树枝补一圈视角相关的边

低多边形树干可以用 relief mapping 补足表面内部的凹凸，却无法改变几何轮廓：当相机看到一条三角形的直边时，纹理只会在直边内部制造细节。SpeedTree 的做法是把“轮廓”单独拿出来处理，近处树枝才会出现不规则的枝皮边缘。

先在 vertex shader 中计算每个顶点法线与视线的点积。如果一个三角形的两条边跨过正负号，说明可见性在三角形内部发生变化；geometry shader 就在点积为零的位置插入顶点，沿垂直视线方向挤出两片窄 fin。没有符号变化的三角形不输出 fin，避免给普通表面增加无用几何。

这里的几何只负责“把可能的轮廓位置送到屏幕”。真正的 bark 高度和遮挡仍在 pixel shader 中沿视线追踪高度图；若追踪没有交点，片元会被丢弃或交给边缘抗锯齿。也因此，fin 很窄时像素成本可控，但它不应该对所有距离的树都开启。

2. height tracing 与 silhouette LOD：细节要随距离淡出

fin 的视线通常贴着树干表面，搜索路径比普通 relief mapping 更长。实践中可以把线性步进的最大长度截断，并让 fin 的像素 footprint 保持较小；这是一种“只为能看见的边缘付费”的预算控制，而不是假设 height map 搜索免费。

轮廓细节同样需要距离预算。近处可以保留较宽的 fin；进入过渡区后，把 fin 宽度按距离连续缩小到零，远处直接移除。连续淡出比瞬间切换更不容易 pop，而且官方样例指出典型场景中真正可见的 silhouette 数量通常很少。

把 silhouette width 调大不等于永远更真实：当树只占几个屏幕像素时，额外的 fin 和追踪步数只会增加成本。先观察它是否改变了可见轮廓，再决定是否值得保留。

3. leaf self-shadowing：平面叶卡需要两次位置修正

SpeedTree 的叶片既有平面 leaf card，也有三维叶片。平面卡片总是朝向相机；为了生成 shadow map，它又会转向光源。如果直接把转向后的卡片投影回相机朝向的卡片，影子会沿平面拉成长条，树叶的自阴影看起来像贴纸上的污痕。

修正分两步。生成 shadow map 时，把转向光源的 caster 沿光源方向移动大约半张卡片的高度，让它覆盖合理的叶片区域。应用 shadow map 时，不改已经光栅化的叶片位置，只把用于阴影查询的位置沿 view direction 偏移；偏移系数可以存进每片叶子一致的 texture。这样每个叶片内部可以得到不同的 shadowed position，而不会把整个 card 拉成一条线。

远景户外场景还需要 cascaded shadow map：近级联每帧更新并绘制全部对象，较远级联可以降低更新频率，只保留对该距离有意义的叶片或枝条。级联不是越多越好，而是让 shadow texel 密度跟视距匹配。

4. two-sided leaf lighting：背光要表现“穿透”

真实叶片背光时并不是简单地把漫反射乘黑：光线穿过薄薄的叶肉，会产生偏黄或偏红的 transmitted light。SpeedTree 的简化模型在 pixel shader 中构造暖色版本，再根据光方向与视线的夹角在原色和暖色之间插值；当光从背后照来时，也降低 specular，避免把不该反射的背面做成镜子。

叶片的高光还需要抑制远处闪烁。官方实现观察到真实叶片的高光更像沿叶脉分成两块的宽反射，因此使用较粗的 V 形 normal map，并偏向较低 mip level。这个取舍把“微小纹理细节”换成“整棵树稳定的光照形状”。

5. alpha-to-coverage：把透明边缘交给 MSAA 样本

植被常用 alpha cutout：一个样本要么保留，要么丢弃。边缘因此容易像锯齿，风吹或 LOD 切换时还会 scintillate。alpha-to-coverage 把 alpha 转成 MSAA 的覆盖样本，resolve 时得到较平滑的透明边缘；对于叶片和 frond 这种 1-bit cutout，它不要求按深度排序，也不会把大块半透明物体误当成普通 alpha blend。

LOD cross-fade 是一个常见陷阱：两个 LOD 同时绘制、各自使用 50% coverage 时，它们可能共享同一组 coverage mask，深度测试后留下的结果会比预期更透明。修法不是退回普通 blending，而是错开两条 LOD 的 alpha fade 曲线，让两个模型在过渡区承担互补的 coverage。

silhouette clipping 的边缘也可以复用这条思路。geometry shader 给 fin 两端写入不同的 view-vector W 值，pixel shader 追踪高度图时记录最近 miss，再把距离边缘的片元 alpha 淡出到 coverage。这样抗锯齿的是“高度图决定的可见边”，而不只是原始三角形边。

float3 shadowedPosition = input.position;
float offset = offsetTexture.Sample(linearSampler, input.texcoord).r;
shadowedPosition += input.viewVector * offset;
 
float4 lightSpace = mul(shadowMatrix, float4(shadowedPosition, 1));
float shadow = shadowMap.SampleCmpLevelZero(
  comparisonSampler,
  lightSpace.xy / lightSpace.w,
  lightSpace.z / lightSpace.w
);
return shadow;

这段伪代码的关键不是某个 API 名称，而是“用偏移后的位置查阴影”。几何的实际屏幕位置没有被移动；如果把两者混为一谈，叶片会出现漂移或深度错位。

6. 用症状而不是术语做选型

本章的几种技术不是一张“质量开关”上的互斥选项。树枝轮廓太直，优先看 silhouette fin 是否在近处生成；叶片阴影有条纹，先看 caster/receiver 的空间偏移；背光发灰，检查 two-sided lighting 的透射色；透明边缘闪烁，检查 MSAA coverage 和 LOD 曲线。先定位症状，再决定是几何、pixel shader、shadow map 还是 resolve 阶段需要预算。

先预测：把相机从 42 推到 90 时，轮廓宽度、shadow 级联和 alpha coverage 哪一个应该自动减少？再打开下面的实验，分别把 shadow offset 调到很低、把 coverage 调高，观察“边缘更平滑”是否真的能消除“投影位置错误”。

三步验收：从轮廓症状到完整植被管线

本章小结

• silhouette clipping 用 fin 与高度图补足树枝的视角轮廓。
• 叶片自阴影要修正 caster、receiver，并按距离管理级联。
• 背光叶片需要透射色，远处高光要降低闪烁。
• alpha-to-coverage 用 MSAA coverage 平滑 cutout 边缘。
• 先按画面症状定位几何、阴影、光照或采样阶段。