GPU Gems 3 · Chapter 16. Vegetation Procedural Animation and Shading in Crysis

先问：为什么静态树海一有风就像同一张贴纸

想象一片很大的草地：远处树冠慢慢偏向风，近处叶片却各自抖动，爆炸或直升机经过时，附近植被还会先被推开再回弹。如果所有树只执行同一个正弦摆动，画面会像一块同步移动的绿色幕布。

本章解决的是：怎样让成千上万的植被既能响应全局和局部风源，又不会因为每片叶子都做昂贵的片元计算而拖垮帧率。没有这条分层路径，动画会失去空间层次，或者只能在真实感和密度之间二选一。

1. 每个实例先得到自己的风

植被动画先分成两层：main bending 让树冠、灌木或草丛整体朝风向偏移；detail bending 让叶缘和单叶上下摆动。方向风给出统一的风向，局部风源则按到实例的距离衰减，所有影响最后在实例级合成为一个世界空间向量。

每个实例还带有 stiffness。风源停止影响后，强度不能瞬间归零，而应随时间 dampen；否则物体会像被开关切断一样突然冻结。主弯曲使用风向量的 xy 分量，并用植被高度放大顶部、限制底部；细节弯曲主要使用风力和相位，不应把整株树再次整体平移。

2. 顶点色是给美术师的运动控制图

细节弯曲不应该让每片叶子都由同一个参数驱动。vertex color encoding 把控制权交给资产：R 通道可以表示叶缘 stiffness，G 通道提供每片叶子的 phase variation，B 通道表示整体 leaf stiffness，A 通道保存预计算的 ambient occlusion。

这样同一套 shader 可以服务不同树种：艺术家只需改变顶点色分布，就能让一棵树的边缘更柔、另一棵树的叶片更硬，而不用为每种植物复制一套代码。顶点色越接近“可解释的控制图”，运行时参数就越少，资产审查也越容易。

3. 用三角波近似重复运动

传统的周期动画常写成 sine，但叶片细节需要多组频率、多个相位和向量化计算。triangle wave 可以用周期取小数部分和绝对值生成，再经过 x * x * (3 - 2 * x) 形式的 cubic smoothing，得到足够连续的运动。

本章的关键不是“用便宜波形替代所有正弦”，而是把四组向量化波分配给不同角色：两组控制叶缘，两组控制叶片或枝条。频率不要都相同，否则整片植被会出现机械同步；G 通道提供的 per-leaf phase 让相邻叶片错开峰值。

等价的 GLSL 风格写法如下。先生成 triangle wave，再平滑；不要在每个分支里单独计算不同周期，以免失去向量化的好处。

vec4 smoothCurve(vec4 x) {
  return x * x * (3.0 - 2.0 * x);
}
 
vec4 triangleWave(vec4 x) {
  return abs(fract(x + 0.5) * 2.0 - 1.0);
}
 
vec4 smoothTriangleWave(vec4 phase) {
  return smoothCurve(triangleWave(phase));
}
 
vec2 waves = time + vec2(vertexPhase, branchPhase);
vec4 waveSet = waves.xxyy * vec4(1.975, 0.793, 0.375, 0.193);
vec4 motion = smoothTriangleWave(waveSet);

4. 按 fill-rate 选择植被着色策略

树干可以使用标准 Lambert 和 Phong；叶片需要双面渲染、alpha test 和廉价的背光近似；草因为覆盖面积大、fill-rate 压力高，通常把更多着色移到顶点阶段。不是所有物体都值得同样的 per-pixel 质量。

叶片透光不必立刻做完整的物理次表面积分。用 subsurface texture 记录内部厚度，再把 -N · L、E · L、光照可见性和该纹理相乘，就能得到方向相关的 back-light。这个近似仍然保留“薄叶朝光时更亮”的线索，而且可以由美术师直接调整。

5. 用深度把 alpha test 的硬边磨平

alpha test 的轮廓本质上是硬阈值：像素要么保留，要么丢弃。当硬件还没有 alpha-to-coverage 时，可以先做 z-pass，把深度写入浮点纹理，再在后处理中比较邻域深度，找到真实几何轮廓，最后用旋转三角形样本做依赖纹理查找。

这条路径只适用于写入深度的 opaque geometry。非透明叶片没有同样的 z-target 证据，不能假设同一套 edge smoothing 会自动正确。工程上要把“硬边质量”和“是否可写深度”一起作为材质契约，而不是只给所有 alpha 贴图加一个模糊开关。

6. 三步组装成可扩展的植被 shader

本章小结

• 实例级合成风向量，让大量风源不直接放大顶点成本
• main bending 控制整株姿态，detail bending 控制叶片局部差异
• vertex color encoding 把 stiffness、phase、AO 变成可绘制资产数据
• triangle wave 加 cubic smoothing 以低成本产生多频率叶片运动
• fill-rate 决定 per-pixel、per-vertex、subsurface 和边缘平滑的分工

float bend = vPos.z * bendScale;
vec3 newPos = vPos;
newPos.xy += wind.xy * bend;
return newPos;