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。