运用Perlin noise创建无限地图

Perlin Noise对于随机样式的创建有多大的贡献不必多言，网路上随便一搜就知道。游戏中地形的生成是Perlin Noise的一项重要应用，我们所熟知的大名鼎鼎的Minecraft的地图创建就依赖于这种方法。这回就在Unity中来实作一下，用Perlin Noise来生成无限地图。

实现Perlin Noise

Perlin Noise的原理其实并不复杂，只不过要解释清楚也是需要不少篇幅的，我不认为我有讲得比各种百科更透彻的能力，于是这里就不展开讲了。直接来看看在Unity中怎样利用Perlin Noise来生产随机地形。Perlin Noise的功能Mathf里其实已经集成好了，我们需要做的是先创建一个plane作为地块，对于这个地块上的每一个顶点，我们将其position的x和z值传入PerlinNoise函数作为参数，生成的随机值作为这个顶点新的高度值y。顶点我们可以从gameObject中的mesh里获得，然后遍历mesh。那么代码如下：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class GenerateTerrain : MonoBehaviour
{
    public int heightScale = 5;
    public float detailScale = 5.0f;
    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        Mesh mesh = this.GetComponent<MeshFilter>().mesh;
        Vector3[] vertices = mesh.vertices;
        for (int v = 0; v < vertices.Length; v++)
        {
            vertices[v].y = Mathf.PerlinNoise((vertices[v].x + this.transform.position.x)/detailScale,
                                              (vertices[v].z + this.transform.position.z)/detailScale)*heightScale;
        }

        mesh.vertices = vertices;
        mesh.RecalculateBounds();
        mesh.RecalculateNormals();
        this.gameObject.AddComponent<MeshCollider>();
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        
    }
}

值得注意的是，由于顶点位置被拔高，平面的形状也会随之改变，我们需要使用**mesh.RecalculateBounds();和mesh.RecalculateNormals();**这两行，来保证边缘不变并且重置法线，否则会产生相当奇怪的结果。

产生无限地形

将以上代码挂到plane上，如此一来我们便有了第一块地形。如同Minecraft里堆叠立方体产生地形那样，我们要使用这样的地形块来拼接得到大地图（或许某种程度上讲更类似于2d里的tile map）。于是将其先制作成prefab。
由于Perlin Noise的特性，我们拼接得到的地图必定是平滑无缝连接并且随机的。（尽管是伪随机，也就是输入固定的值就会生成固定的输出，所以在空间中固定位置生成的地形每次都会是一样的）
生成大地图，首先第一步我们以角色为中心向半径为5的四周铺上地块，然后根据角色移动产生的相对位置，来决定接下来产生地形的方向。譬如，我向x正方向走过了一个地块的距离，那么在x正方向当前的地图边缘我就要延展出新的一排地块，来保证我永远不会走到头。而至于我们背后，即x负方向的方块，我们就可以将其消除，来保持资源总数不会突破天际。具体的做法就是在每一次生成周围地块的时候，为其添加一个时间戳（或者更新现有的时间戳），我们可以用一个哈希表来存储这些地形块，然后我们检查哈希表里的每一个地形块，如果不为当前时间，就将其删除，因为已经超出角色周围的范围了。于是有代码如下：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

class Tile
{
    public GameObject theTile;
    public float creationTime;

    public Tile(GameObject t, float ct)
    {
        theTile = t;
        creationTime = ct;
    }
}

public class GenerateInfinite : MonoBehaviour
{
    public GameObject plane;
    public GameObject player;

    int planeSize = 10;
    int halfTileX = 5;
    int halfTileZ = 5;

    Vector3 startPos;

    Hashtable tiles = new Hashtable();
    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        this.gameObject.transform.position = Vector3.zero;
        startPos = Vector3.zero;
        float updateTime = Time.realtimeSinceStartup;
        for (int x = -halfTileX; x < halfTileX; x++)
        {
            for (int z = -halfTileZ; z < halfTileZ; z++)
            {
                Vector3 pos = new Vector3((x*planeSize + startPos.x),0,(z*planeSize + startPos.z));
                GameObject t = (GameObject) Instantiate(plane,pos,Quaternion.identity); //object,position,rotation
                string tilename = "Tile_" + ((int)(pos.x)).ToString() + "_" + ((int)(pos.z)).ToString();
                t.name = tilename;
                Tile tile = new Tile(t,updateTime);
                tiles.Add(tilename, tile);
            }
        }
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        int xMove = (int)(player.transform.position.x - startPos.x);
        int zMove = (int)(player.transform.position.z - startPos.z);

        if (Mathf.Abs(xMove) >= planeSize || Mathf.Abs(zMove) >= planeSize)
        {
            float updateTime = Time.realtimeSinceStartup;

            int playerX = (int)(Mathf.Floor(player.transform.position.x/planeSize)*planeSize);
            int playerZ = (int)(Mathf.Floor(player.transform.position.z/planeSize)*planeSize);

            for (int x = -halfTileX; x < halfTileX; x++)
            {
                for (int z = -halfTileZ; z < halfTileZ; z++)
                {
                    Vector3 pos = new Vector3((x*planeSize + playerX),0,(z*planeSize + playerZ));
                    string tilename = "Tile_" + ((int)(pos.x)).ToString() + "_" + ((int)(pos.z)).ToString();

                    if (!tiles.ContainsKey(tilename))
                    {
                        GameObject t = (GameObject) Instantiate(plane,pos,Quaternion.identity);
                        t.name = tilename;
                        Tile tile = new Tile(t, updateTime);
                        tiles.Add(tilename,tile);
                    }
                    else
                    {
                        (tiles[tilename] as Tile).creationTime = updateTime;
                    }
                }
            }

            Hashtable newTerrain = new Hashtable();
            foreach (Tile tls in tiles.Values)
            {
                if(tls.creationTime != updateTime)
                {
                    Destroy(tls.theTile);
                }
                else
                {
                    newTerrain.Add(tls.theTile.name,tls);
                }
            }
            tiles = newTerrain;
            startPos = player.transform.position;
        }
    }
}

亿点细节

其实做到这里基本的Perlin Noise的应用就做完了。可以看到在上面的代码里我们用了height scale 和 detail scale两个值来控制地形的变化。前者控制高度，后者控制起伏。但是可以看到虽然地形都是随机的，但是总体的样式是很相似的，也就是当前还没有办法生成更多样的地形比如山峰峡谷，对此我们可以将不同频率和振幅的Perlin Noise多次叠加，于是如果恰好波峰遇上波峰，就会生成更高的峰，这样山就形成了。不过这一部分我还没有实作的打算，暂时打上一个TODO tag吧。


但是现在由于我们的周围只有5x5的地图大小，所以有时候还是可以看到边缘并且挺不自然的，所以接下去就是添加贴图和雾效，雾效可以有效的帮助我们隐藏地图边缘，在许多开放世界游戏中也是这么做的。
对于贴图，我找到了一个不错的网站TextureHaven，在这里可以下载到最高8k的免费材质图，我们将其用在地形prefab的材质球上即可。
至于雾效，直接在菜单栏windows下找到rendering中的lighting setting，把里面fog一项打勾并设置好恰当的颜色和浓度值，把相机从skybox改为solid color，颜色与雾的颜色一致。这里我遇到了一点小小障碍，打上fog的钩之后并没有雾出现，即使将浓度调到最大颜色调到最深也是一样。求助于万能的StackOverflow，发现需要把相机的rendering path设置为forward（原先是deffered）。

于是大功告成，后面也许会在地图上添加随机资源，插个flag先，不一定有时间。