游戏诞生之日10 - 美术篇 Houdini程序化生成入门

在写专栏之初就想要研究一下程序化生成的流程，现在终于有机会进行一些研究了。
本文目标是：

• 研究程序化生成的概念，建立起初步对程序化的认知。
  
• 探讨程序化生成的适用范围。以确定要不要深入学习这门技术。
  

由于程序化生成这个话题非常大，以后我也会时不时加一些相关文章。本篇文章定位是，不需要了解软件的操作，仅仅建立一个概念，对新手非常友好。
<hr>第27块拼图 - 程序化生成技术

1. 什么是程序化生成技术
Houdini 程序化生成高速立交桥IceDust 的视频 · 2915 播放
看一个视频能直观的了解程序化生成技术能够做什么。
在游戏引擎中简单放置一条曲线，就能沿着曲线就能生成一整条立交桥。修改曲线的位置，整座立交桥的位置也跟随曲线变化而变化。
调整几个参数就能实时控制立交桥的形状。从路面的宽度，到路灯的数量和高度，到护栏的位置，到桥墩的数量和粗细，全都能通过参数进行调整。

总结一下的话，程序化生成技术能够根据输入的参数不同，能得到不同的输出。这个输出可以是一个3D模型，或是一个纹理贴图，也可以是一组点，或是一个二进制数据文件。
其实程序化生成技术并不是近几年的新鲜技术，在练习编程时候用程序画菱形，某种意义上也是个程序化生成的应用。输入是菱形的列数，输出是一个字符组成的菱形。
从这个角度看，一个捏脸系统也可以算是一个程序化生成的案例。输入是众多的身体部位参数，输出是一个玩家定制的，个性化的模型。
除此之外，如《我的世界》《饥荒》这样的随机地形，输入是一个随机种子，输出是一个新的地形，包含了资源、怪物和地形信息。
如《以撒的结合》《杀戮尖塔》这样的roguelike游戏，输入是一个随机种子，按照游戏的逻辑输出一个可玩的随机关卡，以达到一个独一无二的体验。

捏脸系统或是随机地形，随机关卡往往是一个游戏比较重要的系统，由程序、美术策划共同配合，用写代码的方式制作整个系统。这样做的好处是效率较高，而且能满足一些定制化的特殊需求。但是需要多人配合，或是需要即懂美术原理又懂编程的TA/图程进行开发，门槛更高。
随着游戏行业的发展，面对越来越大规模的地形和素材，美术也越来越需要能对模型进行批量生成、批量处理的工具。我们需要一个解决方案来快速制作这样的工具。
Houdini就提供了这样一套解决方案，将美术流程中可能用到的各类工具做了梳理以供使用，既避免了从零开始造轮子，又保证能快速简单地满足需求。我们可以把Houdini看做一个生产美术工具的工具。
2. 为什么是Houdini？
美术软件那么多，为什么选择Houdini？

• 基于节点的工作流
  

在houdini中，一切物体都是基于节点的，模型是一个节点，对模型的操作和计算同样是一个节点，摄像机，材质，灯光等待同样是一个节点。
每个节点包含了不同的属性。例如节点是一个方块模型的话，就包含了长宽高的数值。如果节点是一个变换(Transform)操作的话。节点就会有位移，旋转，缩放等属性。
每个节点可以相互连接，节点的上端是输入，下端是输出，不同节点可接收的输入输出数量也是不一样的。
如果把节点当做一个数据处理的函数来看的话会比较容易理解。数据像水流一样从上往下，沿着连接线流向不同节点，每一个节点可以对数据流进行增删改查，数据流也可以分叉或是合并，最终流出来的数据便是我们最终的结果。
我们不仅仅能够通过修改连线改变数据流向的位置，还可以截取某个节点查看中间步骤。通过修改任意中间节点上的参数，就可以实时查看到最终效果，也就不会出现很早的一个操作错误无法撤销这样的情况。进一步，我们可以还创建很多测试用例，只要更改输入数据就能简单地进行测试。

Houdini提供了非常多的预设节点，例如：

• 模型处理  如：车削 挤出
  
• 复制生成 如：复制图章
  
• 流程控制节点  如：选择 循环
  
• 地形节点 如：高度图
  
• 噪声  如：高度图噪声
  
• 分形节点  如：L-System
  
• 灯光节点 如：各类灯光
  
• 渲染节点 如： Mantra / RedShift
  
• 流体节点 如：云
  
• 动力学  如：毛发 布料
  
• VOP编程节点
  

常见的建模操作基本都附带了，并且支持多种格式的文件。相比用代码从文件读取开始造轮子，这里有很多现成的轮子可以直接用。即使没有，也可以通过VEX节点进行拓展。
如果需要大量处理数据，会遇到性能问题，可以使用Python语言进行拓展。
轻松访问所有数据
Houdini里能够很方便地访问到各种数据，这为程序化控制提供了基础。
索引编号。Houdini里几何体里的顶点、边和面片都可以看到索引编号，通过这个索引就能以函数的形式取到这个数据，对数据进行修改后再保存回去。
属性。Houdini中将几何体的数据分为四个层级，分别是detail(对象)，primitive(面)，vertex(顶点)，point(点) ，用户可以向每一个层级中追加属性，例如可以让每个点加上随机的缩放属性后，向点上拷贝出的物体也就具有了随机缩放。
访问其他节点。Houdini可以根据节点的路径来访问其他节点的数据，并用表达式在节点间建立引用关系。

3. 一些程序化的实例
我们实际上来看一个程序化模型生成的过程。从零开始做出一棵草。

通过改变每个步骤的参数，例如弯曲的程度，叶片的数量，就可以做出不同样式的草。

接下来生成一片草地。

有了生成草地这个流程，我们就可以将第一步的圆替换为任意几何体，就能在任意几何体上长出草来。

在Houdini中还能够基于程序化地生成地形，相比用笔刷人工进行雕刻，效率和拟真程度都更好。

程序化生成的好处是，你可以退回到过去的某一步进行修改，而不用重做后续步骤。

4. Houdini与游戏引擎对接
Houdini对接了Unity和Unreal这样的游戏引擎，我们可以这样理解：Houdini是一个制造插件的工厂，制造的这个插件能够在游戏引擎内部运行，根据参数生成各类模型。
Houdini将这样的插件称为数字资产（HDA，Houdini Digital Asset），这样一个资产封装了程序化的逻辑，规定了暴露的参数以及参数的取值范围。

在实际工作中，除了编写HDA的人员外，其他人都不需要安装Houdini，也不需要知道HDA内部工作逻辑。只需要调整参数，编辑曲线，点击烘焙即可。
除此之外，Houdini还能导出其他游戏引擎可用的资产，例如，可以直接使用Houdini烘焙动画文件 ，或是Visual Effect Graph可用的向量场等。

5. 程序化的适用范围
程序化生成技术适合处理数量庞大、有规律重复的工作。例如：

• 可以参数化地生成模型，如：房屋、桌椅家具
  
• 快速生成大量的、不重复的模型，如：石头、树木
  
• 对大量的数据进行批处理，如：大地形植被
  
• 搭建一整条管线，并在不同阶段进行编辑，如：大地形的地形工具
  
• 一些特殊效果，如：在任意模型上长草，用模型生成特效
  

相应的，少量的，无规律的工作不适合用程序化的进行制作。例如：

• 要求对模型进行非常细微的控制，例如建模出一个角色。
  
• 已经有成熟插件，例如制作树的Speed Tree，制作地形的Gaea等。就不必用Houdini再做一遍。
  
• 程序化无法带来明显优势的工作，因为Houdini学习起来相对高成本。
  

注意事项

• 团队中只需要有少数人来程序化生成工作流即可。
  
• 程序化不能完全替代传统工作流。
  
• 找准应用场景。强行做自己不适合的工作反而会事倍功半。
  
• 注意性能问题，兼容性问题
  

6. 扩展资料
一些好的学习教程。



第27块拼图 - 程序化生成技术 Houdini

• 付出成本： 2
  
• 上手难度： 6
  
• 可控性： 8
  
• 表现效果： 8
  
• 性价比： 2.0
  

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Houdini能讲的东西太多了，以后如果有机会再讲吧。最近在学各类程序化建模、程序化纹理，程序化地形，深感要学的东西太多，时间不够用。
这一系列文章将会收藏于专栏之中，希望大家多多支持。

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