RenderingCountlessBladesOfWavingGrass

现在让我们看看如何为我们要解决的任务建立一个纹理。所需的纹理必须聚集多个草叶；否则，它将有大面积的透明区域。我们只需在透明的 alpha 通道中画出实心的草茎，就可以得到这个纹理。在颜色通道中，我们应该使用不同深浅的绿色和黄色，以便更好地区分单个叶片。我们可能想模拟条件好的和条件差的草叶，表示年龄或成熟度的差异，甚至想区分草叶的正面和背面。

图 7-2 中显示了一个草的纹理的具体例子。

本节解释了如何结合一些多边形，用上一节建立的草地纹理进行贴图映射，使模拟的草地看起来很密集，并且不突出个别多边形。该技术还保证了单个多边形的不可见性。

因为用户可以在场景中自由浏览，类似于图 7-3 所示的构造不足以产生令人信服的效果。如果有人相对于多边形的方向垂直观看场景，草的多边形的线性排列的结构会立即被识别。此外，在这种情况下，草看起来会非常薄。像这样的排列方式只有在自动相机导航或无法到达的远处的草地上才可以考虑。

为了确保独立于当前视角的良好视觉质量，我们必须交叉草多边形。使用看起来像星星的配置被证明是非常值得的。图 7-4 展示了两种可行的 "草物体 "的变体，由三个相交的四边形组成。我们必须在渲染多边形时禁用背面剔除，以实现正反面的可见性。为了获得适当的光照，我们应该将所有顶点的法线向量与多边形的垂直边缘平行。这就保证了位于斜坡上的所有草物体的正确照明，不会因为地形的亮度而产生差异。

如果我们像图 7-5 所示，在一个大的区域内将这些草对象放置的很近，在运行时将它们从后往前排序，使用 alpha 混合，并在绘制调用中启用 z-testing/writing，那么就会得到一个自然生长的茂密草地的效果。

为了实现高度真实的动画，我们将使用基于三角函数的计算，特别是正弦和余弦。这个计算应该考虑被移动的位置（无论是顶点还是物体或集群的中心）和当前的时间。另外，盛行风的方向和强度也将是影响因素。我们的每一项技术都只移动草物体的上部顶点。在顶点着色器中，通过检查纹理坐标很容易区分这些上部顶点和下部顶点。所有的上部顶点都应该有相同的草纹理 v 坐标：比如零，或者接近零的值。如下面代码所示，在这三种技术中，顶点着色器代码中的框架都是一样的；只有纯动画部分不同。动画代码可以在下面的章节中找到。

// Equal Cg / HLSL framework in the vertex shaders
// for Sections 7.4.2, 7.4.3, and 7.4.4
//
struct VS_INPUT {
    float3 vPosition : POSITION;
    float3 vNormal : NORMAL;
    float2 TexCoords : TEXCOORD0;
    // This member is needed in Section 7.4.4
    float3 vObjectPosition : TEXCOORD1;
};
struct VS_OUTPUT {
    float4 vPosition : POSITION;
    float4 vDiffuse : COLOR;
    float2 TexCoords : TEXCOORD0;
};
struct VS_TEMP {
    float3 vPosition;
    float3 vNormal;
};
float4x4 mWorldViewProjMatrix;
float4 vLight;
float fObjectHeight;
VS_OUTPUT main(const VS_INPUT v)
{
    VS_OUTPUT out;
    VS_TEMP temp;
    // Animate the upper vertices and normals only
    if (v.TexCoords.y <= 0.1) { // Or: if(v.TexCoords.y >= 0.9)
        // animation (to world space)
        // Insert the code for 7.4.2, 7.4.3, or 7.4.4
        . . . // <- Code for our different animation methods
    }
    // Output stuff
    out.vPosition = mul(float4(temp.vPosition, 1), mWorldViewProjMatrix);
    out.vDiffuse = dot(vLight, temp.vNormal);
    out.TexCoords = v.TexCoords;
    return out;
}

下面的方法被用于 Codecreatures Benchmark，它产生了一种具有不断改变强度和方向的阵风的逼真外观。在这里，多边形上部顶点的移动对于靠近的一组草物体来说是相同的。为了产生一个自然的动画，我们应该选择一个不太大的集群大小。见图 7-6。

动画的平移矢量是由 CPU 计算的，并作为一个常量参数交给顶点着色器。在 CPU 上使用一种更昂贵的算法，可以让我们实现非常复杂的风的模拟。因为我们为每个草丛对象提供了自己的平移矢量，所以我们必须为每个草丛改变这个常量参数。因此，我们必须经常中断一个完整草地的渲染，并为每个集群使用单独的绘制调用。

第 7.4.2 节中讨论的方法的主要问题之一是性能差，因为有大量的绘制调用，而这些调用只能单独渲染少量的多边形。如果我们能够通过使用更少的绘制调用来渲染一个大面积的草地，那就更好了。然而，我们必须将完整的动画计算重新放到顶点着色器中，以便能够相对于它的位置分别移动每个顶点。见图 7-7。

因为每个顶点的平移是单独计算的，所以草的多边形上部顶点之间的边的长度不再是恒定的，如图 7-8 所示。由于每片草的长度和厚度不恒定，可能会出现明显的变形(distortions)，但通常这些 artifacts 不会很明显。

此外，整体效果可能比之前的方法看起来更不自然。因为附近区域的所有顶点的平移都是非常相似的，所以导致了局部混乱的缺失和非常同质化的动画。我们能够通过在顶点着色器中使用一个伪随机函数来消除这个缺点，以达到更多的变化结果。

为了增加基于第 7.4.2 和 7.4.3 节中介绍的方法的动画的视觉复杂性，我们将不扭曲的草地纹理和低数量的绘制调用与局部混沌（局部混乱、局部变化）相结合，从而获得这两种方法的优点。我们能够结合这些方法是因为我们不再根据每个顶点的位置来计算其动画，而是根据草对象的中心位置来计算–每个对象由三个相交的四边形组成（见 7.3.2 节）。因为相邻的草对象现在有不同的动画，我们可以表现出所需的局部混乱，如图 7-9 所示。此外，每个草对象的恒定动画还可以防止水平纹理变形（distortions）。

为了实现这一点，每个顶点必须知道其对应的草对象的中心位置，可以是相对于顶点的位置，也可以是在世界中的绝对位置。这个所需的草对象位置向量必须是顶点格式的（也就是存储在纹理坐标中），因为顶点着色器必须读取这个值。