Biome Draftsman：世界をコンテンツで満たす

高さマップを上の画像から下の森に変換する方法は？



オープンワールドゲームは着実に人気を集めており、ベストセラーリストの1位になっています。 新しいゲームごとに、世界の規模と複雑さの基準が引き上げられます。 最新のオープンワールドゲームの予告編を見るだけで、彼らの目標は膨大なプロポーションのセンセーションを生み出すことであることが理解できます。



そのような世界の構築は、開発者にとって大きな疑問を提起します-そのような広々とした世界を効果的に満たすには 特に開発チームが小さい場合、誰も各ツリーを手動で配置することを望みません。 結局のところ、ゲーム開発は常にスマートな妥協についてです。



典型的なオープンワールドゲームを見ると、パレートの原理が動作していることがわかります。コンテンツの20％がプレーヤーのメインパスであり、80％がバックグラウンドです。 プレーヤーのほとんどの時間を費やすため、プレーヤーの主な道は高品質で芸術的なコンテンツでなければなりません。 主要都市周辺の広大な森林や砂漠を含む背景は、そのような細部への注意を必要としません。 これらの80％は、コンテンツ作成の速度と容易さをわずかに優先して品質と装飾を犠牲にするスマートコンテンツホスティングツールの優れたターゲットです。



最新のゲーム「Shadow Warrior 2」のリリース後、デザインチームが新しいゲームのプリプロダクションで忙しかったときに、新しいアイデアを少し試す機会がありました。 この時間を使って、改善された配置ツールのプロトタイプを作成し、レベルアーティストと積極的に協力することにしました。 雇用主であるフライング・ワイルド・ホッグに感謝します。彼はこのことについて早くから書いてくれました。そして、このプロトタイプの作成に参加してくれたすべての人に感謝しています。



World Machineで簡単な標高マップを生成する方法を知っていました。 問題は、このマップをすばやく美しいシーンに変換して、レベルのアーティストのチームが過労で死なないようにすることでした。

意思決定分析

この問題を解決するには、手順上の位置、物理に基づく位置、カラーマップに基づく位置など、いくつかのアプローチがあります。



手続き型の配置では、一連の定義済みルールとランダムシードに基づいてコンテンツが生成されます。 そのような方法は、物理的プロセスをシミュレートする方法（テレロジカル）と、最終結果をシミュレートするだけの方法（オントジェネティック）に分けることができます。 目的論的な方法の例は、The Witcher 3での水の蓄積と太陽光の分布に基づく森林の生成です。 もう1つの例は、 UE4で手続き型植生を作成するためのツールです 。これは、次の世代の植生の成長をシミュレートします。 個体発生法の例には、Houdiniベースの手続き型生成が含まれます。この生成では、たとえば「 Ghost Recon Wildlands 」のように、技術的なアーティスト自身がルールを記述します。



物理的な解決策は、オブジェクトを配置する興味深い方法です。 それらは物理学のシミュレーションに基づいており、複数のオブジェクトを高さからドロップして、レベルが分散するまで待つことができます。 これは、たとえばUnityのObject Placement Toolで実装されています。



カラーマップに基づく場所は、手動でペイントされたカラーマップに基づいており、指定された一連のルールに従ってリソースに変換されます。 このアプローチの新しい例は、 Horizo​​n Zero Dawnのツールです。これは、私たちにとって強力なインスピレーションの源になりました。

出発点

私たちは限られたリソースのかなり小さなスタジオですので、改善されたエンティティ位置ツールを使用するなど、作業をスピードアップする方法を常に探しています。



最初の配置ツールは物理学に基づいており、最初のゲームHard Reset（2011）用に作成されました。 ゲームには暗いサイバーパンク都市が参加したため、さまざまな種類の「ゴミ」をすばやく見つけるためのツールを作成しました。 オブジェクトを空中に吊り下げて、物理シミュレーションをオンにすることができます。 すべてが地面に落ちて動きを止めた後、最終結果が気に入ったら、それらを保存するだけで十分でした。 このツールを使用することは本当に喜びでしたが、その結果、その使用はかなり制限されていました。 結果を管理するのは難しく、シミュレーションの繰り返しは多くの場合、手動での配置よりも遅いことが判明したため、最終的にこのアイデアを破棄することにしました。



手続き型のソリューションを詳しく調べましたが、主にHoudiniなどのパッケージをうまくマスターしていないレベルのアーティストのチームが原因で、それらを適用できませんでした。



2番目のゲーム、Shadow Warrior（2013）では、さまざまな種類の植生を持つ屋外エリアがあったため、 描画ベースのレイアウトツールを作成しました。 レベルで作業するプロセスは、3ds Maxでの基本的なグリッド（メッシュ）の作成に基づいていました。 レベルアーティストはこれらのレベルグリッドの頂点をペイントし、レベルのインポート中に、この頂点カラーリングはオブジェクトを作成するための多くのポイントに変換されました。









Shadow Warriorのペイントされたレベルグリッド-草と茂みの密度は頂点の色で保存されます



ゲームエディタ内で、レベルアーティストは任意の領域を選択し、そこに作成されたエンティティのタイプを指定された密度とプロパティで構成できます（たとえば、グリッドへのスナップやカラーバリエーション）。 次に、ゲームの実行中に、アーティストが設定したゲームの実行のルールとパラメーター（LOD設定など）に従ってこれらのエンティティを作成しました。 このツールは、レベルのアーティストのチームに好評であり、彼らはしばしばその機能をさらに拡張するように私たちに依頼しました。

必要条件

新しいシステムに期待される特性を書き留めることから始めました。

• ラピッドプロトタイピング。 レベルアーティストが提供する高レベルの入力に基づいて世界をすばやくプロトタイプ化し、一般的な用語で世界の外観をすばやく設定できるようにしました。 レベルアーティストは、少なくとも森林、砂漠などの場所を示すことができる必要があります。 たとえば、2Dの世界地図を描画してから、ゲーム内の世界に変換します。 開発チーム全体が作業を開始できるように、ゲーム内で世界のプロトタイプを迅速に起動できることは非常に重要です。
• シンプルで安全な反復。 土壇場で安全な変更を行う方法が必要です。この方法では、全世界を再構築したり、エリアをブロックしたりする必要はありません（ロケーションツールからのデータを手動で配置したエンティティに変換します）。 領域をロックすると、エンティティの配置に任意の変更を加えることができますが、ロックした後、手動で行った変更を破棄せずにプロセスでレイアウトルールを構成することはできないため、レイアウトツールのポイント全体を破棄します。 つまり、たとえば、樹木の密度などのパラメーターを小さくしても、樹木のほんの数個のインスタンスのみが破壊され、フォレスト全体がゼロから再構築されることはありません。
• 拡張性。 小規模な開発チームにとって、新しい機能を徐々に追加する能力は重要です。 開発の最初の年に最初に計画し、次に2年目にリソースを作成し、3年目にリソースを配置してからゲームをリリースすることはできません。 生産を通じてリソースを操作する能力と、既存の世界にリソースを簡単に追加できる方法が必要です。 たとえば、場所を変更せずに、1種類のツリーを2種類のツリーに置き換える簡単な方法が必要です。
• ハンドヘルドコンテンツとの完全な統合。 明らかに、生成された木が間隔を空けた建物や舗装された道路から突き出ることを心配せずに、生成された森林内に軍事基地を配置するか、この森林を通る道路を手動で敷く方法が必要です。

コンテンツのより効率的な配置の可能性のために、品質と手動制御のレベルを放棄する準備ができていました。

バイオーム引き出し

レベルアーティストが以前の描画ツールをどのように使用しているかを見ると、彼らが二重の仕事をしていることがわかりました。 たとえば、最初に草の標本を配置し、後でこの草の下に対応する草のテクスチャで土壌を描きます。 1つのシステムを使用して、地球のテクスチャリングとエンティティの配置の両方を生成することにしました。 これにより作業が加速されただけでなく、すべてのリソースが対応する地球テクスチャ上に配置されている全体的な世界を作成することができました。



バイオームカラーマップを再利用してプロトタイピングを高速化したいと考えていました。 この問題を解決するために、システムを2つのカラーマップに基づいています：バイオームタイプ（たとえば、森林、砂漠、水など）と重み（緑豊かな植生）、および重みマップの色付けを制御するいくつかのルール：低値ほとんど空の救済、および高い-緑豊かな植生または多くの障害を意味する必要があります。



以前のカラーリングツールでは、新しいプレハブのセットを完成した後、古いエリアに戻ってそれらを塗り直す必要がし​​ばしばありました。 反復を簡素化するために、より複雑なルール、つまりオブジェクトを作成するためのルールのリストを使用してシステムを構築し、重要度の高い順に評価します。 これにより、既存のエリアに新しいプレハブを頭痛なく追加できました。



さらに、反復できるようにするために、ルール変更の影響を最小限に抑える必要がありました。 この問題を解決するために、事前に計算された作成ポイントと事前に計算された乱数にすべてを基づいています。 たとえば、ツリーの作成ポイントを修正する必要がある場合、その場所の密度を調整すると、新しいインスタンスが表示されますが、フォレストのほとんどは変更されません。



最後に、最初のテストの後、繰り返しパターンを破壊するために何らかの手続き生成が必要になると判断しました。 この問題を解決するには、特別なオブジェクト（たとえば、フォレスト内の倒木）を非常に低い密度で（作成の確率を低くして）配置しました。

バイオームルール

バイオームタイプのマップとウェイトマップができたので、これらのマップをエンティティと地形テクスチャに変換する方法を説明するいくつかのルールが必要です。



テクスチャマッピングのルールは非常に簡単です。

• 事前に設定されたリセッションを伴うバイオームの重みの間隔
• 事前に設定されたリセッションによるリリーフウェイト間隔
• 事前に設定された後退による丘陵地形の間隔
• 密度

各ルールには特定のレリーフテクスチャが割り当てられ、これらのルールは下から上に適用されます。 まず、バイオーム全体を下にあるテクスチャで塗りつぶします。 次に、次のルールを評価し、条件が満たされたときに割り当てられたテクスチャを配置します。つまり、現在のポイントで以前のテクスチャを置き換えます。



エンティティレイアウトルールはもう少し複雑です。

• 上記のすべてのテクスチャルール
• 地球または世界軸「上」に対する位置-たとえば、木は通常成長するため、世界軸「上」に結び付けられますが、石はレリーフに対して相対的に配置されます
• スナップの軸からのランダムな角度変位-竹の成長など、均一性を破壊することができます
• スナップ軸を中心としたランダムな回転
• ランダムスケール間隔
• スナップ軸に沿ったオフセット
• 影響（エンティティの衝突の半径）

テクスチャルールと同様に、各エンティティルールには特定のプレハブが割り当てられます。 エンティティルールは上から下に適用されます。 まず、石や木などの大きなエンティティを作成し、次に可能であれば茂みや草などを作成します。 さらに、各エンティティは、自身と既に配置されている要素との衝突もチェックします。



これらのルールを使用して、バイオームの例を構築できます。たとえば、ここに森があります：









森林バイオームの重みの割り当ての例



他の考えられる興味深いルールの中には、別のエンティティまでの距離をチェックするものがあります。 たとえば、大きなツリーの周りに小さなツリーを作成します。 手続き的な生成を最小限にするために、それらをまだ実装しないことにしました。

LODバイオーム

そして、ここでシステムは完全に現れます。 すべてのエンティティがカラーマップから形成されているため、LODとストリーミングの読み込みが大幅に改善されます。 ゲームの実行中にエンティティを作成するため、ストリーミングシステムの観点からは、エンティティの場所にすべてのデータをロードするのではなく、平方メートルあたり2バイトのみを取得するだけで十分です。



PCのさまざまなグラフィック設定では、ゴミや草のような小さなオブジェクトの密度を制御するだけです。 LODワールドの作成は、複雑なエンティティ作成ルールによって管理されます。 プレーヤーの隣にあるすべてのものを作成します。 一定の距離の後、より大きなオブジェクトのみを作成します。 さらに、最大のオブジェクトのみを作成します。 最後に、カメラから一定の距離を超えると、オブジェクトはまったく作成されません。 これは、レンダリングに役立つだけでなく、中央プロセッサのすべてのサードパーティ計算にも役立ちます。距離のあるエンティティの変化をシミュレートまたは追跡する必要がないためです。

バイオーム統合

このソリューションを携帯型エンティティや他のツールと統合したかったのです。 川や道路作成ツールなどのスプラインツールの場合、このスプラインからの距離を分析的に計算できます。 この距離に基づいて、舗装道路や河川からバイオームペインターのすべてのエンティティを自動的に削除できます。 さらに、このスプライン周辺のバイオームの重量を減らします。 したがって、森林内に道路を配置すると、道路の隣の植生の素晴らしさが減ります。









河川作成ツールがバイオームで自動的に機能する方法の例



同様の方法で、私たちはハンドヘルドエンティティを操作します。 プレハブに特別なバイオームブロッカーを挿入できます。 バイオームブロッカーは、バイオームの本質を取り除き、一定の後退値で周囲のバイオームの重量を減らす単純な形式（すなわち、球体または凸面の図形）です。 これにより、手動で配置された家の中の木の出現を回避するのに役立つだけでなく、周囲のすべてが描画されたバイオームデータを破壊することなく建物の新しい位置に適応するため、カラーマップを手動で再描画することなく建物を自由に移動できます。

作業プロセス

ワークフローは、最初の標高マップを生成するWorld Machineで始まります。 次のステップでは、Substance Designerでバイオームのおおよそのカラーマップを反復処理します。 バイオームマップの自動再インポートのサポートを作成したため、グラフィックアーティストがサブスタンスデザイナーに保存すると、新しいバイオームマップがインポートされ、変更がゲームエディター内にすぐに表示されます。



これにより、リソース、地形のテクスチャなどで満たされた世界をすばやく作成できます。 明らかに、それは完成したゲームの品質には対応しませんが、一般に、この段階でゲームはすでに機能し、ゲームプレイ開発者のチームはすでにプレイヤーの速度、輸送、および戦闘に取り組んでいます。



最後に、世界の大まかなモデルに満足したら、手動でリソースを割り当て、ゲームエディターのブラシを使用してバイオームのカラーマップを少し変更します。

実装

エンティティロケーションアルゴリズムは、以前に計算された作成ポイントの巡回トラバーサルに減少し、各ポイントでワールドデータ（標高、傾斜など）を取得し、作成ルールから密度を計算し、作成ポイントで以前に計算された最小密度と密度を比較します。現在のポイントでエンティティを作成するかどうかを決定します。 エンティティはプレハブインスタンスです。つまり、たとえば、トリガー、サウンド、特殊効果（ホタルなど）、レリーフデカールを持つツリーを作成できます。



作成ポイントの適切なセットの予備計算は、驚くほど難しいことが判明しました。 次のプロパティを使用してパターンを事前計算したかったのです。

• できるだけ密な配置
• ポイント間に指定された最小距離があります
• これは自然な配置の幻想を破壊するため、近くのエンティティは1本の直線に整列していません（これについては、ゲームの目撃者の草の位置に関する優れたシリーズの投稿で見つけることができます）
• 上記のプロパティは、密度を減らしても保持される必要があります（計算された密度に応じて、指定された作成ポイントの数が減少するため）
• パターンにはシームレスなオーバーレイが必要です。 大きな世界をカバーするために

ポアソンスポットに似た多くのポイントを生成しようとしましたが、追加の要件として、近くのポイントを1本の線に揃えてはいけません。 その結果、いくつかのsin関数とcos関数によって歪んだ規則的なグリッドに到達しました。 また、単純なディザリングアルゴリズムを使用して各ポイントに重みを割り当て、エンティティの作成密度の低下によりいくつかのポイントを削除するときに上記のプロパティを保持します。



レリーフにエンティティを作成する場合、レリーフの標高の元のマップを使用するのではなく、手動でレリーフグリッドが挿入されたマップを使用することが重要です。 幸いなことに、レイトレーシングを使用してこの高度マップを作成し、大きな標高の影を描画したため、このデータが得られました。



エンティティ間の衝突を処理するために、2次元の衝突ビットマップがあります;エンティティを配置する前に、エンティティの形状をラスタライズします。



エンティティの配置はGPUのシェーダーで便利に実行されるように見えますが、実際には、サイズの異なるエンティティ間の衝突など、より複雑なルールを実装し始めたとき、コードは非常に混乱しました。 その結果、CPU関数を使用してエンティティを作成することにしました。 この関数は64 mx 64 mの新しいタイルを受け取り、エンティティを作成して終了し、別のタイルで別の関数を実行します。



一方、テクスチャテクスチャの作成は、ビデオプロセッサ上では非常に効果的です。これは、各テクセルを依存関係なく並列に計算できるためです。 レリーフのクリップマップレベルごとに1つのシェーダーを実行して、テクスチャマップを作成します。 唯一の欠点は、衝突反応（弾丸、フットプリントなど）を処理するために、これらのデータがCPU側からメインメモリに存在する必要があることです。 これを行うには、前述のテクスチャマップをビデオプロセッサのメモリからメインメモリにコピーする必要がありました。

まとめると

未来が私たちに何をもたらすかは誰が知っていますが、ゲーム業界の先見性のある人とのインタビューでは、メタバースについての言及がしばしば浮上します（たとえば、Tim Sweeneyとのこのインタビュー ） このメタバースがどのように見えるかはわかりませんが、膨大な量のコンテンツを作成して処理できる、よりインテリジェントなツールが必要になります。 私はいつかそのようなツールがレベルアーティストにとって馴染みのある標準になると信じています。