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地形生成原理与实现

2024-12-31

1、什么是地形生成

地形生成是计算机图形学中的一个重要领域,旨在通过算法和程序自动创建自然环境的三维模型。这些模型可以用于视频游戏、虚拟现实、模拟训练、电影制作等多个领域。地形生成不仅可以提高开发效率,还能创造出丰富多样的模拟资产,增强体验的沉浸感。

2、地形生成的作用

提高效率:手动创建每个地形的细节既耗时又繁琐。通过自动化的地形生成,开发者可以快速生成大规模的环境,节省时间和资源。

多样性与随机性:地形生成算法可以创建出多种多样的地形类型,如山脉、平原、河流等,甚至可以根据特定的参数生成独特的地形。这种随机性使得每次生成的环境都可能是独一无二的,增加了游戏或模拟的多样性和鲁棒性。

适应性:地形生成可以根据不同的需求和条件进行调整。例如,在不同的游戏场景中,开发者可以通过设置参数来生成所需要的地形。

3、地形生成的方法

地形生成的方法多种多样,主要包括以下几种:

程序性生成:使用算法和数学模型生成地形。这种方法通常基于噪声函数(如柏林噪声)来创建自然的地形特征。程序性生成的优点是可以快速生成大规模的地形,并且可以通过调整参数来控制地形的特征。

高度图生成:通过高度图(Height Map)来表示地形的高度信息。高度图是一种二维图像,其中每个像素的亮度值表示该点的高度。通过将高度图转换为三维模型,可以生成复杂的地形。

基于样本的生成:这种方法使用真实世界的地形数据作为样本,通过插值和变形等技术生成新的地形。这种方法可以生成更真实的地形,但通常需要大量的样本数据。

AIGC方法:随着深度学习和大模型的快速崛起,出现了很多基于AIGC的地形生成方法。

4、地形生成算法实践

在本项目中,我们对目前行业内较为通用的地形生成算法做了调研并整理归纳,并增加了usd格式保存功能,主要包括以下几种:

4.1 随机均匀地形

原理:生成一个高度均匀分布的地形,高度值在指定的范围内随机选择,并通过插值方法生成更高分辨率的高度场,具体来说是通过计算水平和垂直高度上的像素数量,随机选择高度值,随后在一个网格上采样,通过双线性插值方法讲下采样的高度场差值到更高分辨率,随后将插值后的高度值四舍五入为整数返回生成高度场。

4.2 金字塔阶梯地形

原理:根据预设的参数计算出每个阶梯的高度,计算阶梯的数量及尺寸从而生成阶梯网格,根据配置锁定阶梯中心的孔洞大小随后返回高度场。

4.3 波浪地形

原理:通过正弦波和余弦波生成波图案,根据预设的波浪的频率和幅度,将连续信号转为离散单位供地形使用,计算波长和波数并创建地形网格,将波形覆盖到平坦地形上,最后,将插值后的高度四舍五入到最近的垂直步长,并返回生成的高度场。

4.4 随机网格地形

原理:将地形划分为网格,每个网格的高度是随机的。检查地形是否为正方形,并根据配置计算网格的数量。在每个网格中生成一个固定高度的箱体,并根据配置生成随机高度的变化,同时可以配置是否有孔洞。

4.5 铁轨地形

原理:生成两个集中的铁轨,分别位于地形的中心和周围。计算每组铁轨的厚度和高度,并生成相应的边界。生成地面的基础箱体,形成完整的地形。

4.6 踏步石地形

原理:生成一种具有“踏石”模式的地形。该地形在中心处有一个平坦的平台,周围分布着随机高度的石头。

4.7 漂浮环地形

原理:在地面上生成一个漂浮的方形环。根据配置计算环的高度、宽度和厚度。生成地面的基础箱体,确保环悬浮在地面之上。

4.8 星形地形

原理:在地面上生成一个星形结构,由多个条形连接到中心的平台。根据配置计算条形的数量、宽度和高度。

4.9 随机物体摆放地形

原理:在平坦地形周围随机放置一些物体例如盒子,高度随机化。

结论

地形生成是一个充满创意和技术挑战的领域,它为虚拟世界的构建提供了强大的工具。通过不同的生成方法,开发者可以创造出丰富多样的环境,提升用户体验。随着技术的不断进步,地形生成的算法和工具也在不断演化,未来将会有更多创新的应用场景出现。

Reference

  1. https://isaac-sim.github.io/IsaacLab/main/source/api/lab/omni.isaac.lab.terrains.html#terrain-importer

  2. https://github.com/isaac-sim/IsaacLab/tree/main?tab=readme-ov-file

  3. https://openusd.org/release/api/

  4. https://github.com/cpichard/usdtweak