用PCG技术加速大世界地形生产，天美是如何用“黑科技”做到的？

原标题:利用PCG技术加速大世界地形生产，梅田如何用“黑科技”做到？

导语:梅田13周年之际，梅田与知乎游戏举办了以“游戏未来十三问”为主题的圆桌会议，邀请游戏从业者、玩家、朋友共同探讨、展望游戏未来。本文为圆桌话题“2021年游戏行业有哪些可以提升开发效率的“黑科技”，前景如何？”接下来的回答，希望对你有所帮助。

答:梅田F1工作室技术中置发动机项目组组长钱龙旭

不知不觉，游戏开发行业已经过去了十几年，从刚入行的技术小白，到现在还一无所知的技术瓦工，见证了一个时代的游戏技术变革。曾在游戏开发SDK、端游戏MMO、休闲手机游戏、重型手机游戏、大世界手机游戏、大世界端游戏等各种产品工作，现为梅田F1工作室技术中引擎程序团队负责人。

随着游戏行业的快速发展，玩家对游戏的要求越来越高，对游戏的技术要求也越来越高，开发量也越来越大。现在，我所在的梅田F1工作室正在开发AAA级全平台的大世界游戏，这是一件非常具有挑战性的事情。

作为一个游戏引擎程序，我很清楚技术更新很快，我需要不断的学习来接受这个挑战。好在我们已经提前积累了多方向对标国际AAA厂商的技术能力，在全球范围内招募了众多具有AAA项目研发背景的人才。通过不断夯实技术基础，我们有能力、有信心接受新的挑战。在我们储备的技术中，PCG技术是目前大型世界运动会不可或缺的技术。现在，让我们简单介绍一下。

PCG(Procedural Content Generation)技术是最近热门的一种提高游戏制作效率的技术。这是什么意思？

互联网百科给出的答案:程序生成(英文:procedure Generation)是计算机科学中的一种算法，使计算机能够自动制造一种数据。在计算机图形学中，也叫随机生成，常用于制作素材图和3D模型资源，用于视频游戏领域自动制作大量游戏内容。程序生成具有减小文件大小、扩展内容和增强游戏随机性的优点。

我个人的理解:如果用在游戏中，简单来说，程序化内容生成就是用算法自动生成游戏内容。原创游戏内容需要美术和策划花费大量精力制作，而工艺方法可以大大降低人工成本。除了节省一些重复劳动，它甚至可以自动创建一些新的设计内容。想象一下，如果有一个程序可以自动生成游戏，那该有多有趣。也许那一天到来的时候，游戏开发者会被裁掉。

地形是大世界的基础。如果大世界没有地形，玩家就没有立足之地。地形和大世界一样大。如果能利用PCG技术加速大世界的地形生产，艺术和规划的人力消耗就能大大减少。

这里有两个困难。一、如何生成真实自然的地形？现实世界的地形不是一种随意的形状，它是一种自然的创造，往往具有赏心悦目的美感。使用算法生成美丽的地形是我们面临的第一个挑战。第二，世界巨大，内容复杂，涉及到很多制作人。如何让制片方高效合作是我们面临的第二大挑战。

今天，我将简要谈谈如何在大世界游戏中使用PCG技术加速地形制作的一些基本想法。

1。传统地形工作流程

我们应该熟悉传统的地形工作流程。Art首先找到一些参考高度图，导入到游戏引擎编辑器中，然后根据自己的需要通过地形编辑工具编辑地形。比如UE的地形编辑器为美术提供了各种画笔来刷刻地形，显然这种方法对于美术来说是一个巨大的工作量。

2。程序地形

一些可用的地形噪音

程序地形可以通过算法自动生成地形。随机噪声地形是常用的。该方法是一种构造性算法，通过设计一些噪声函数，如柏林噪声、沃利噪声、沃诺噪声、流量噪声等，随机生成地形高度信息。

另一种是侵蚀算法。通常，现实世界的地形是大自然多年来对地形影响的结果。这种算法通过数学建模来模拟侵蚀过程，进而得到模拟的自然地形效果。如热侵蚀、水力侵蚀等。......

让我们看几个程序地形的例子。比如如何用噪点表达丘陵地形？就像照片中起伏的山丘。其实很简单。让我们取一个噪声函数的绝对值。这时会在噪点的形状上出现凸起，达到表现山丘的效果。

无人深度山地空

如何用噪点表达脊线？很多大山都会有山脊线，就像图中的阿尔卑斯山一样。我们可以先取噪声的绝对值，再取逆值，然后反过来再升。

可以观察到在波形相交处形成一个尖点。该图显示了二维情况。如果在三维空间中形成一条局部最高点的线，则可以模拟该脊的形状。

阿尔卑斯山

如何用噪音表达河流？我们可以通过域扭曲来实现。这个方法很简单，就是把噪声函数的域变换一次。比如这个例子，简单的移动变量的位置，经过多次的位置扭曲，就形成了一些特效。可以看到图中高度数据的变化过程，最后形成一个像河流一样的效果。

刚才提到的例子是用噪声表示地形的简单有效的方法。但是真实的地形实际上有一些特殊的特征，比如自相似性。这是什么意思？

当我们从不同的角度观察真实地形时，会有一些相似的特征。山脉上的每一块石头，小山脉和小山脉都是起伏的。也就是说，如果用噪声来表示这个特征，就要求噪声在多个尺度上具有自相似性。

山脉

山丘

山石

为了达到这种效果，我们实际上可以直接叠加多层噪声。每一层噪音都有自己的频率和振幅，它们共同形成了这个分形地形。为了更好地控制分形效应，我们可以调整每层噪声之间的关系:有两种关系，一种是每层频率之间的变化率，另一种是每层振幅之间的变化率。

特别是，如果每一层的振幅和频率的变化是相互导数，这种多层噪声称为粉红噪声。特别是，如果变化率是2的幂，我们使这种噪声的每一层都是一个Octave，那么这种噪声的每一层的频率加倍，振幅减半。一般来说，Octave小于8就够了。如果太大，计算量会增加，效果不会大幅度增加。

这是我们常见的分层柏林噪声的效果，Octave为8。我们可以看到这种分层地形，是大高度的低频变化，小尺度的一些高频变化。

分层柏林噪声

纯流程地形的游戏比较好，比如《无人深入空》，《我的世界》。无人区深度空的地形非常好，关于噪点应用的技巧很多，做了一些相当不错的风格化效果。

没有人是深沉的空。

我的世界

现在总结一下纯程序地形的特点:

基于随机的算法；

相对技术性，艺术不易理解；

容易重复；

可控性差，艺术难以调节效果。

3。艺术引导的程序地形生成

既然纯程序地形生成有这么多问题，如果大世界地形制作想用程序技术提高效率，该怎么办？因为游戏场景的最终效果其实是由艺术来控制的，其实整个场景非常复杂，不仅地形存在，而且涉及到的很多东西都需要艺术来把关，所以我们需要的是艺术主导的流程生成。

这种工作流需要更多的考虑用户友好性，艺术中使用的工具是交互式的，易于使用。还需要有很好的艺术表现力，美术可以很方便的做美术设计。程序化技术的功能主要是用来提高工作效率，不像纯程序化的地形生成，一键生成地形，艺术很难参与其中。

对于这样的工作流，其主要成员可以是一个相对较小的团队。TA和引擎工具根据art的需求设计开发地形工具，工具开发完成后，art使用工具设计地形。

具体来说，以艺术为主导的工艺地形工作流程可以分为以下三个阶段:

1:原始地形生成。在这个阶段，LA和TA合作，通过使用一些程序化的地形工具，如UE4 Landmass、Houdini、世界机器、世界创造者和盖亚，根据世界的结构生成一个原始地形。

2:地形处理的程序工具。在这个阶段，艺术会根据原始地形制作场景，并添加场景的其他层，如河流、道路、岩石等。这些场景元素的制作对应于程序管道中的程序工具，这可能会对地形产生影响。

3:手动编辑。所有的程序工具应用到地形后，如果美术对效果不满意，那么需要手动调整形成最终的地形效果。

3.1原始地形生成

我们先来看看原始地形的生成。这个阶段的思路是，整个建模过程是一个从初始模型到高模型的过程，高度图数据是一个从低分辨率到高分辨率的过程，然后对真实地形进行侵蚀是非常重要的一步。

以胡迪尼为例，传说中大概有这些步骤。整个过程可以完全在胡迪尼完成，也可以通过定制的胡迪尼发动机在发动机中制作。TA完全在Houdini做比较方便，art在引擎编辑器做比较方便。各有利弊。

胡迪尼地形工作流程

具体来说，我们来看看这个过程。首先，体量可以通过手绘、投影几何或直接导入高度数据进行最粗略的建模。其次，为了获得更自然的效果，我们在一些细节上对粗糙模型进行了扰动，这可以通过在特定区域应用一些噪声或添加一些障碍物来实现。

播种后的地形有一些细节，更加自然，有利于未来的侵蚀效果。然后是脑叶。一般来说，真正的山脉会被河流或地壳运动切割。我们可以通过侵蚀算法增加侵蚀强度来获得这种切割效果。最后，我们可以从高度的层面重新映射，并重复建模不同的区域。例如，我们在第一遍中对地图的平原区域建模，在第二遍中对高原区域建模。

地形粗糙模型过程

粗加工模具建模精度低，迭代效率相对较快。大型造型设计应尽可能在粗模阶段进行。粗糙模型完成后，对地形精度进行上采样，精度高的可以有更多的细节，然后继续Shaping，再进行侵蚀。

为了获得更好的侵蚀效果，有必要在侵蚀前进行另一次扰动。侵蚀是一个耗时的操作，TA需要熟悉它才能获得更快的迭代效果。如果对效果不满意，可以反复塑形和侵蚀，得到最终的原始地形效果。

地形高模量过程

3.2使用程序工具进行地形处理

一旦原始地形可用，它将进入处理工具地形处理阶段。一般来说，PCG的工具和管道根据不同的工具进行分层，如湖泊、河流、道路、围栏和植被。

这里需要注意的是，每个工具都有依赖关系，前一个工具的输出数据会对后一个工具产生影响。比如我先用河流工具生成河流，然后用道路工具在河流经过的区域生成道路，所以道路工具需要考虑河流工具。例如，我们可以通过输出Mask来标记河流的区域，这样道路工具就可以知道这里有一条河流。

一般来说，这类工具的顺序需要提前指定，流程要设计好。

工艺工具流程图

这些程序工具可能会影响地形，包括高度和材质。至于地形的变化，有一个隐藏的意思，就是后一个工具对受前一个工具影响的地形进行操作。比如刚才提到的道路工具在河流后面之后，河流工具本身就会对地形进行变形，此时道路工具对地形的输入就是河流工具对地形变形的结果。

当然，有些工具可能不会使地形变形。例如，围栏工具一般不会影响地形。因此，在这个工作流程中，我们需要存储每一层地形的变化。没有这些中间结果，后面的工具就没有地形的输入。

3.3手动编辑

既然流程解析永远解决不了所有问题，那么我们就进入手工编辑阶段。问题又来了。手动编辑地形需要哪些阶段？

首先回顾一下程序工具的地形流程，如图，是一个链式结构。我们可以看到，我们可以手动编辑每个工具。比如河道工具影响地形后，如果美术不满意，可以编辑调整。在调整好地形的基础上，我们可以使用道路工具来铺路，这样会影响地形，然后美术可以在此基础上继续调整地形效果。

工艺工具地形流程图

有了这个过程，就有了如何存储地形修改的问题。

为了实现无损编辑，需要存储每一层地形的修改。建议将修改后的数据保存到外部文件，而不是编辑器场景，这样对胡迪尼比较友好。

另一个值得考虑的问题是，手动修改的数据是以不同的方式存储还是直接覆盖。直观来说，存储差异是有好处的。当前一阶段工具的地形输出发生变化时，手动修改的数据可能会被继承。例如，由于某些原因，道路工具抬高了整条道路。由于存储的差值，一些本地手动修改可以重复使用。

缺点是可重用数据的合理性其实很模糊。在很多情况下，差异数据是不可用的，应用这些数据后不容易找出错误。覆盖法优缺点明显，直接覆盖不会出错。但是，一旦上一层修改了地形，后续每一层的所有手动修改都会被废弃，后续的所有图层都需要修改。

基于正确性优先的原则，建议用覆盖代替差异。手动修改一般只是部分修改，覆盖的方式需要存储两种数据，一种是标记哪些区域已经修改的Mask信息，另一种是需要覆盖的高度图信息。

这样，我们有了一套完整的地形工作流程，但在艺术的实际运用中，我们仍然会遇到许多问题。

首先是可以手动编辑的阶段太多。大世界一般有几十层甚至几十层。工作流可以调整的地方太多了。逻辑艺术不易理解，第二种可控性差。前面提到过，前层的修改会影响到后层，导致修改频繁，非常容易出错。第三个最直接的就是美术反馈操作太繁琐，不容易上手。

工艺工具的手工修改过程

经过反思，虽然这个过程比较完整，但很多阶段其实是不必要的。由于程序工具对地形的影响频繁，不需要在整个阶段手动修改地形，所以最终的手动修改可以在整个程序过程前后进行，可以简化为四个主要的地形阶段。

原地形:世界机器胡迪尼输出。

手动修改1: Art可以在引擎编辑器中调整原始地形。

工艺工具的地形阶段:合并为大阶段，中间不允许手动调整。

修改2:手动调整最终地形。

整个过程可以反复重复。

过程地形工作流

3.4一些经验总结

①可控性非常重要

完全随机的地形生成是不可用的。

艺术导向，不是技术导向。

②无损编辑

原始地形不能丢失。

可以反复快速迭代。

③数据存储

易于导入和导出

使用，不要使用差异。

④依赖

后期取决于前一阶段的地形。

消除循环依赖

编辑前锁定时间以避免冲突。

编辑前及时更新，避免不正确的修改。

⑤不要过于依赖流程

⑥锁定

阶段越早，越早需要确定。

地形改造很重。

4。PCG技术的前景

PCG技术不仅用于生成地形，还可以用于生成世界环境的各个方面，如植被、道路、河流、湖泊、海洋、街区、建筑等等。

如果这些问题都在实际项目中得到解决，产生符合艺术需求的资产，那么制作大型世界游戏的成本就会大大降低。当然，并不是艺术没有关系，而是艺术可以专注于艺术创作，消除不必要的重复劳动。这样，PCG技术可以加快设计和验证效果的迭代速度。

此外，PCG技术还可以与机器学习等其他技术相结合，辅助艺术设计。这种技术可以通过研究现有的资产库数据，自动生成一些新的数字资产，而艺术会做出一些挑战，从而加快创作速度。

PCG科技甚至可以在一定程度上向玩家开放制作UGC内容，玩家可以像游戏制作者一样创造游戏世界。PCG技术的应用前景巨大空。

目前，除了在PCG管道的良好积累，我们在其他AAA游戏技术方面也取得了一些成绩。

F1技术积累图

在技术、艺术等方面。，目前，我们已经保留并在不断优化验证方向，包括:

顶级AAA公司和支持AAA质量开放世界的PCG工业游戏内容生产管道

下一代主机级渲染技术和艺术制作技术

GTA级都市模拟游戏AI技术

超现实飞行器物理仿真技术

基于光学运动捕捉和运动匹配的角色动画技术及制作流水线

基于FACS系统的真实感表情绑定和动画流水线

基于人工智能学习的角色动画制作技术

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