Думаю все заметили, что сейчас стало появляться множество всяких бродилок с выживанием в стиле Minecraft. Сделать такую решился и я. Начало было лёгким — Unity3d имеет огромный функционал для сознания простеньких игр (и не только). Персонаж, игровые объекты, в общем основу сделать быстро. Но какой minecraft без рандомно генерируемого мира? Это стало первой трудной задачей. И думаю не только для меня. Просмотрев весь гугл и потратив кучу времени на эту
Дальше вас ждёт описание алгоритмов (и код) создания более менее реалистичных ландшафтов. Уточню, что все примеры на C#.
План действия
Для начала хорошо бы было разобраться, что подразумевается под генерацией ландшафта:
- Генерация карты высот. Это самая главная часть, по карте высот строится terrain (или mesh). Её можно также использовать для окрашивания terrain в зависимости от высоты
и для расстановки игровых объектов. - Построение ландшафта. Есть два способа выполнения этого пункта, в зависимости от того не хотите ли вы сложностей и используете ли вы unity3d, или же вам плевать на производительность, но вам важно, чтоб было красиво. В первом случае советую использовать встроенный в unity3d редактор ландшафта (terrain).
Простенький код для этого:
Terrain terrain = FindObjectOfType<Terrain> (); // Находи наш terrain float[,] heights = new float[resolution,resolution]; // Создаём массив вершин // ... // Делаем с heights всё, что хотим // ... terrain.terrainData.size = new Vector3(width,height,length); // Устанавливаем размер нашей карты terrain.terrainData.heightmapResolution = resolution; // Задаём разрешение (кол-во высот) terrain.terrainData.SetHeights(0, 0, heights); // И, наконец, применяем нашу карту высот (heights)
Второй способ заключается в создании mesh. Данный метод даёт больший простор действий над ландшафтом, но он и сложнее: вам придётся создавать mesh, далее разбивать его на треугольникии и трудиться над шейдерами для покраски. Разобраться во 2 способе вам поможет эта статья. - Наложение текстур.Конечный этап в генерации ландшафта. Здесь опять нам пригодится карта высот из первого пункта. Для наложения и смешивания текстур мы будем использовать простой шейдер.
Shader "Custom/TerrainShader" { Properties { _HTex ("heightMap texture", 2D) = "white" {} _GTex ("grass texture", 2D) = "white" {} _RTex ("rock texture", 2D) = "white" {} } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 2048 CGPROGRAM #pragma surface surf Lambert sampler2D _GrassTex; sampler2D _RockTex; sampler2D _HeightTex; struct Input { float2 uv_GTex; float2 uv_RTex; float2 uv_HTex; }; void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) { float4 grass = tex2D(_GTex, IN.uv_GTex); float4 rock = tex2D(_RTex, IN.uv_RTex); float4 height = tex2D(_HTex, IN.uv_HTex); o.Albedo = lerp(grass, rock, height); } ENDCG } FallBack "Diffuse" }
Здесь мы получили на вход 3 текстуры: карта высот, текстуры травы и камня. Далее мы смешиваем текстуры камня и травы по карте высот, используя функцию lerp(). И на выход мы подаём нашу карту высот но окрашенную в нужные текстуры.
Итак, поняв общий план действий, надо приступать к делу.
Частые ошибки
С самого начала я думал, что всё будет очень просто и для рандомной генерации ландшафта можно обойтись обычной функцией Random(). Но это самый неправильный способ. Его результат это вовсе не красивая карта, а расчёска в приближении.
Шум Перлина
Существуют множество способов создания карты высот, но почти все они схожи в одном — использование шумов. Самый первый алгоритм, который мне попался это метод с использованием шума Перлина
Perlin noise (Шум Перлина, также иногда Классический шум Перлина) — математический алгоритм по генерированию процедурной текстуры псевдо-случайным методом. Используется в компьютерной графике для увеличения реализма или графической сложности поверхности геометрических объектов. Также может использоваться для генерации эффектов дыма, тумана и т.д.
Думаю многих испугала приставка псевдо, но от неё легко избавиться. Далее представлен способ реализации шума в Unity3d:
using UnityEngine;
using System.Collections;
public class PerlinNoisePlane : MonoBehaviour {
public float power = 3.0f;
public float scale = 1.0f;
private Vector2 startPoint = new Vector2(0f, 0f);
void Start () {
MakeNoise ();
}
void MakeNoise() {
MeshFilter mf = GetComponent<MeshFilter>(); // Ищем mesh
Vector3[] vertices = mf.mesh.vertices; // Получаем его вершины
for (int i = 0; i < vertices.Length; i++) {
float x = startPoint.x + vertices[i].x * scale; // X координата вершины
float z = startPoint.y + vertices[i].z * scale; // Z координата вершины
vertices[i].y = (Mathf.PerlinNoise (x, z) - 0.5f) * power; // Задаём высоту для точки с вышеуказанными координатами
}
mf.mesh.vertices = vertices; // Присваиваем вершины
mf.mesh.RecalculateBounds(); // Обновляем вершины
mf.mesh.RecalculateNormals(); // Обновляем нормали
}
}
Я бы не сказал, что данный способ даёт ошеломляюще реалистичные результаты, но он довольно неплох для создания пустынь или равнин.
Алгоритм diamond-square
После долгих часов скитаний по интернету наткнулся на этот алгоритм, и он оправдал все мои ожидания. Он даёт прекрасные результаты. Для расчитывания вершин есть очень простая формула.
Представим себе плоскость, её 4 вершины и точку по центру. Её высота будет равна сумме высот 4 вершин, делённая на их кол-во и некого случайного числа с коэффициентом. Вот код для unity3d (халява копи-пастерам):
using UnityEngine;
using System.Collections;
public class TerrainGenerator : MonoBehaviour {
public float R; // Коэффициент скалистости
public int GRAIN=8; // Коэффициент зернистости
public bool FLAT = false; // Делать ли равнины
public Material material;
private int width=2048;
private int height=2048;
private float WH;
private Color32[] cols;
private Texture2D texture;
void Start ()
{
int resolution = width;
WH = (float)width+height;
// Задаём карту высот
Terrain terrain = FindObjectOfType<Terrain> ();
float[,] heights = new float[resolution,resolution];
// Создаём карту высот
texture = new Texture2D(width, height);
cols = new Color32[width*height];
drawPlasma(width, height);
texture.SetPixels32(cols);
texture.Apply();
// Используем шейдер (смотри пункт 3 во 2 части)
material.SetTexture ("_HeightTex", texture);
// Задаём высоту вершинам по карте высот
for (int i=0; i<resolution; i++) {
for (int k=0;k<resolution; k++){
heights[i,k] = texture.GetPixel(i,k).grayscale*R;
}
}
// Применяем изменения
terrain.terrainData.size = new Vector3(width, width, height);
terrain.terrainData.heightmapResolution = resolution;
terrain.terrainData.SetHeights(0, 0, heights);
}
// Считаем рандомный коэффициент смещения для высоты
float displace(float num)
{
float max = num / WH * GRAIN;
return Random.Range(-0.5f, 0.5f)* max;
}
// Вызов функции отрисовки с параметрами
void drawPlasma(float w, float h)
{
float c1, c2, c3, c4;
c1 = Random.value;
c2 = Random.value;
c3 = Random.value;
c4 = Random.value;
divide(0.0f, 0.0f, w , h , c1, c2, c3, c4);
}
// Сама рекурсивная функция отрисовки
void divide(float x, float y, float w, float h, float c1, float c2, float c3, float c4)
{
float newWidth = w * 0.5f;
float newHeight = h * 0.5f;
if (if (w < 1.0f && h < 1.0f))
{
float c = (c1 + c2 + c3 + c4) * 0.25f;
cols[(int)x+(int)y*width] = new Color(c, c, c);
}
else
{
float middle =(c1 + c2 + c3 + c4) * 0.25f + displace(newWidth + newHeight);
float edge1 = (c1 + c2) * 0.5f;
float edge2 = (c2 + c3) * 0.5f;
float edge3 = (c3 + c4) * 0.5f;
float edge4 = (c4 + c1) * 0.5f;
if(!FLAT){
if (middle <= 0)
{
middle = 0;
}
else if (middle > 1.0f)
{
middle = 1.0f;
}
}
divide(x, y, newWidth, newHeight, c1, edge1, middle, edge4);
divide(x + newWidth, y, newWidth, newHeight, edge1, c2, edge2, middle);
divide(x + newWidth, y + newHeight, newWidth, newHeight, middle, edge2, c3, edge3);
divide(x, y + newHeight, newWidth, newHeight, edge4, middle, edge3, c4);
}
}
}
Материалы по теме
- Realtime Procedural Terrain Generation (PDF). Очень ценный документ, где рассказано всё про генерацию ландшафтов. Единственный минус — на английском
- Статья про фрактальные ландшафты
- Отличная статья про шум Перлина
- Вики про diamond-square
