Загрузка реальных ландшафтов в Unity 3D

Введение

Тема генерации ландшафтов путем применения разнообразных хитроумных алгоритмов достаточно широко освещалась на хабре (раз ^[1], два ^[2], три ^[3] и продолжать можно до бесконечности). Перечисленные примеры касаются случайной генерации некой абстрактной местности для повышения реализма в конечных игровых продуктах. А как быть, если требуется смоделировать некую реальную местность?

По этой теме тоже довольно много разного рода публикаций в сети. Однако, многие из них опираются на использование платных приложений или расширений для Unity. Существуют описания и «дешевых» методов, но основная масса их ориентирована на получение так называемых heightmap — черно-белых квадратных изображений местности, где градациями серого определяется относительных уровень высот в данной точке. Существует ряд способов генерации подобных карт высот с использованием например инструментария GDAL ^[4]. И такой подход не лишен недостатков, связанных с достаточной громоздкостью процедуры создания карты высот и последующей привязкой к полученной местности. Поэтому, в данной статье будет изложен некий альтернативный подход и интересующиеся приглашаются под кат.

1. Добыча геоданных

Тут всё уже давно изобретено до нас, за что следует благодарить NASA, выполнивших в свое время программу SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) по радиолокационному картонированию земной поверхности. Данные, полученные в ходе миссии находятся в открытом доступе вот здесь ^[5]. Идем по этой ссылке и наблюдаем

наш родной «шарик» поделенный на зоны. Для демонстрации описываемой методики выберем район «крыши мира», гору Эверест. Для этого щелкаем по нужному куску карты и жмем кнопку «Download».

Распаковываем скачанный архив, и находим там среди прочего файл srtm_54_07.tif в формате GeoTIFF. GeoTIFF ^[6] — открытый стандарт хранения картографической информации. Анализируя данный файл можно получить данные по высотам точек земной поверхности. Так как формат открытый, организовать непосредственную работу с ним, скажем из Unity будет несложно, но мы, пока, для упрощения, пойдем более коротким путем и воспользуемся маленькой но полезной программкой 3DEM ^[7]. Это софтинка бесплатна и легко качается с официального сайта. Качаем её и открываем в ней добытый нами GeoTIFF района Эвереста. При открытии нас попросят выбрать формат геоданных, выбираем GeoTIFF

после чего выбираем вышеупомянутый файл и видим такую картину

Показанный район довольно велик. Прямоугольником по центру показан интересующий нас район горы Эверест. Чтобы вырезать нужный кусок жмем F8, выбираем интересующую нас область и жмем Enter. Нам предложат уточнить границы участка по широте и долготе.

Уточняем если нужно и нажав ОК получим интересующий нас район на экране

Если надо, повторяем эту процедуру. В конце концов мы выберем нужный район, а затем идем в главное меню по пути File -> Save Terrain Matrix. Нам предложат выбрать формат сохраняемых данных

Выбираем бинарный формат float, так как с ним будет меньше возни. Выбираем далее путь и имя сохраняемых файлов. В качестве выхлопа мы получим два файла

• everest.hdr — текстовый файл с описанием сохраненного участка и формата хранения данных
• everest.bin — сами данные, которые есть просто двухмерный массив высот в формате с плавающей запятой одинарной точности

3. Описание формата хранения геоданных

Его нетрудно получить из pdf-документа, идущего вместе с 3DEM. Главная информация находится в *.hdr-файле и выглядит она так

file_title = everest
data_format = float32
map_projection = Lat/Lon
left_map_x = 86.859001
lower_map_y = 27.899000
right_map_x = 87.014999
upper_map_y = 28.046000
number_of_rows = 177
number_of_columns = 188
elev_m_unit = meters
elev_m_minimum = 4574
elev_m_maximum = 8794
elev_m_missing_flag = -9999


Опишу самые важные для нашей задачи поля

• file_title — имя *.bin-файла с данными
• data_format — формат представления данных
• left_map_x, lower_map_y — долгота и широта левого нижнего угла участка (считаем что верх этого условного «прямоугольника» смотрит на север), в градусах
• right_map_x, upper_map_y — долгота и широта правого верхнего угла участка, в градусах
• number_of_rows — число строк в матрице данных. Каждая строка описывает высоты на фиксированной широте из указанного координатами углов диапазона с равным шагом.
• number_of_columns — число столбцов в матрице данных
• elev_m_unit — единицы измерения высот
• elev_m_minimum — минимальная высота над уровнем референсного эллипсоида (для простоты — уровнем моря) на данном участке
• elev_m_maximum — максимальная высота над уровнем референсного эллипсоида

Таким образом, становится понятно как читать бинарный файл — он просто поток float'ов, записанных в файл построчно. Эта матрица, в нашем случае хранит высоты в 177 х 188 = 33276 точках на выбранном участке, ограничения по долготе и широте для которого нам известны. Так же нам известен и диапазон высот на данном участке.

3. Хранение данных о высотах в Unity

Класс Terrain в Unity имеет публичное поле terrainData, через которое можно получить доступ к следующим полям

• heightmapResolution — разрешение карты высот. Оно кратно степени двойки, выбирается из ряда 128, 256, 512… с добавлением единицы. По умолчанию оно равно 513 х 513
• size — реальный размер террейна в условных единицах Unity. Это поле имеет тип Vector3, и задает размер террейна сразу по всем осям.
• SetHeights(int xBase, int yBase, float[,] heights) — метод для загрузки данных карты высот. xBase, yBase — индексы, начиная с которых карта высот читается движком из массива heights.

Карта высот — квадратный массив вполне определенного размера. Матрица геоданных — массив прямоугольный. Вычитать её из файла дело техники, и подобный код настолько прост, что специально приводить его не имеет смысла. Главная сложность, преобразовать данные GeoTIFF к карте высот, удовлетворяющей следующим требованиям

• квадратная матрица, размером кратным степени двойки + 1
• высоты, хранимые в матрице, нормированы в диапазоне от 0.0 до 1.0

4. Преобразование геоданных в карту высот

Нормировать высоты достаточно просто

где level[i,j] — нормированная высота; h[i,j] — высота в точке (i,j); h_min, h_max — минимальная и максимальная высота на участке. Для приведения размера матрицы к выставленным требованиям нужна аппроксимация высоты в зависимости от координаты. Воспользуемся простейшей линейной аппроксимацией. Пусть высота есть функция координат точки на участке

. Тогда, выберем базовую точку

, совпадающую с одним из узлом заданной координатной сетки и разложим эту функцию в ряд Тейлора

При кажущейся сложности, формула легко реализуется кодом на C#

 float getHeight(float x, float z)
{
            float height = 0.0f;

            // Вычисляем шаг по координатам
            float dx = terrain_data.x_range / (terrain_data.numder_of_rows - 1);
            float dz = terrain_data.z_range / (terrain_data.number_of_columns - 1);

            // Определяем базовую точку
            int i = (int) (x / dx);
            int j = (int) (z / dz);

            // Проверяем индексы на предмет выхода за размер массива данных
            if ((i >= terrain_data.numder_of_rows) || (j >= terrain_data.number_of_columns))
                return 0.0f;

            // Вычисляем частные производные в точке (i, j)
            float dydx = (terrain_data.normalize_data[i + 1, j] - terrain_data.normalize_data[i, j]) / dx;
            float dydz = (terrain_data.normalize_data[i, j + 1] - terrain_data.normalize_data[i, j]) / dz;

            // Вычисляем высоту
            height = terrain_data.normalize_data[i, j] + dydx * (x - i * dx) + dydz * (z - j * dz);

          return height;
}

Пользуясь этой функцией легко формируем матрицу для карты высот

terrain_data.height_map = new float[resolution, resolution];

float dx = terrain_data.x_range / resolution - 1;
float dz = terrain_data.z_range / resolution - 1;
                
for (int i = 0; i < resolution; i++)
{
       for (int j = 0; j < resolution; j++)
       {
             terrain_data.height_map[i, j] = getHeight(i * dx, j * dz);
       }
}

5. Плагин для редактора Unity

Чтобы облегчить жизнь мной был написан небольшой плагин для редактора движка UnityGeoDataLoader ^[8], позволяющий решать поставленную задачу. Этот продукт и его исходный код распространяются по лицензии GNU GPL v2.0. По указанной ссылке можно получить и то и другое. Там же есть и инструкция по использованию данного инструмента.

Плагин встраивается в редактор и добавляем в главное меню пункт «Tools -> Load GeoData». Выбрав террейн в инспекторе, жмем этот пункт меню, указываем путь к файлу *.hdr (рядом с которым лежит и файл *.bin с данными) и вуаля — лицезреем гору Эверест в редакторе Unity

Дальше с этим террейном делаем всё что душе угодно — текстурируем, применяем шейдеры, расставляем другие объекты. Это уж на ваше усмотрение.

Заключение

Покритикую сам себя. Нехорошо, при открытости стандарта GeoTIFF использовать сторонний инструмент для добычи геоданных. По-хорошему надо весь код поместить в плагин, добавить возможности выбора региона по координатам и много чего ещё. Но предела совершенству нет, главное, что задача загрузки в движок реального ландшафта имеет вполне приемлемое и простое решение.

Благодарю за внимание!

Автор: Дмитрий Притыкин

Источник ^[9]