3D地形中的道路模拟

　　笔者注: 这篇文章是我本人在2009年发表在cppblog的一篇技术文章，由于我的技术博客迁移至博客园，所以转载到了此，非盗文。

　　以下是正文：

　　前段时间被项目组长委派实现基于3D地形的道路系统。实现的目标是类似于Crysis编辑器的功能：可以由编辑人员在地面上指定一系列控制点，用某种合适的曲线插值生成一条道路，指定纹理后就可以智能地将道路显示出来。

　　然而要实现这些功能，必须克服以下的几个难题：
（1）用哪种曲线可以方便模拟出道路段，而且可以灵活地调节？
（2）地形通常都有Lod优化，其网格会实时变化，如何获取道路段覆盖的地形网格？如何让道路刚好“贴”在地表上而不会产生交叉,融合,断裂现象？
（3）如何生成道路顶点的纹理，才能不让纹理产生扭曲或其它不准确的现象？

　　刚刚接到任务时，一头雾水，无从下手。于是急忙搬出google大哥，从gameres驰骋到gamedev，从项目组长询问到网上认识的高手，都没有找到道路实现的相关资料和有效的解决方法。

　　后来研究了一下Crysis编辑器的道路系统操作和线条生成模式，并且在有着十几年游戏开发经验的Dunhill兄指点迷津下，终于找到了一些眉目，经过半个月多的摸索和调试，终于在今天比较完整地将道路系统实现了。由于网上资料少，特撰此文，如果以后有人也做到类似的专题，希望可以提供一些有用的信息。

　　首先，将编辑人员指定的道路控制点用样条曲线生成一系列平滑过渡的道路段顶点。样条曲线有很多种，经过比较，我采用了B样条曲线，感觉它可以比较好地控制道路的弯曲，而且又不乏道路的平滑特性。由此解决了文章开头提出的问题（1）。效果如下图：
　　

　　上图有6个控制点，经过插值生成了一系列中间过渡点，从而将控制点连成了比较平滑的道路骨架。对于样条曲线插值的生成方法，网上很多资料，这里就不详细讨论了。

　　接着，将生成的道路曲线分拆成一个个四边形（我们不妨称之为道路单元段），将这些四边形覆盖的地形图元提取出来。由于地形Lod是不断变化的，如果道路随着地形Lod变化就不断提取地形图元会使得效率很低下。经过一番研究，发现如果地形Lod做得足够好的话，由地形Lod变化而产生的地形Pop现象对道路影响不大，完全可以提取道路在地形最高Lod时覆盖的图元数据，由此解决了开头提出的问题（2）。注意在提取图元的时候要完全按照地形构造的规则进行提取，否则有可能出现道路和地形相交合或分离的问题。

　　提取了某个道路单元段覆盖的地形图元后，将该道路单元段的四个顶点构造出四个垂直于水平面的裁剪面，将地形图元和构造的裁剪平面作为参数送入裁剪程序。裁剪程序通常是用三维齐次坐标的区位码标志裁剪方法，这个算法在《计算机图形学》一书有提及，网上也有该算法的详细描述。将裁减后的道路单元段链接起来后的效果如下图：
　　

　　黄色线条是地形图元，黑色的线条是道路的图元。可以看出，经过裁减后的道路增加了很多顶点和线条来链接道路和地形的相交点，这样做是为了防止道路与地形可能出现的交叉、分离和断裂现象。

　　裁剪完道路单元段后，给每个道路单元段的顶点生成纹理坐标。尝试了很多方法，最后采用的纹理映射方法是如下：

　　

　　见上图，v0、v2、v3、v5是道路单元段的顶点，v1、v4分别是v0与v2、v3与v5的中点，v1到道路起始点的中轴线累积长度totalL，另外求出顶点到道路单元段的四个边距L1、L2、L3、L4和中轴线长L。
　　纹理坐标u = L2 / (L2 + L4)
　　纹理坐标v = （totalL + L * L1 / (L1 + L3) ) / tileLength （tileLength是纹理的格子长度，可由编辑人员调节）

　　这种纹理映射方法在道路不是很弯的情况下，都能比较好地生产纹理图。但若道路弯曲得比较厉害，纹理也会出现扭曲。如果哪位能提出更好的纹理坐标生成方法，请告知。生成纹理坐标后,记得给道路顶点高度往上平移一点点(我取了0.01f),这样可以避免道路和地形由于Z值相同而产生闪烁现象.

　　最后发一张贴上纹理的道路效果图，如有什么问题欢迎留言探讨。