(搬运) Far Cry的火如何燃烧与传播

Game Dev

主要是翻译与搬运，原文见参考资料中的链接。

Far Cry 2 背景故事

当年，育碧蒙特利尔的 初级Gameplay程序员Jean-Francois Lévesque，用了超过一年的时间研究并开发了Far Cry 2的火焰传播功能。以下是他接受采访的部分内容：

育碧蒙特利尔为什么决定这样一个复杂的，程序化的功能是设计上所需要的？
创意总监Clint Hocking在非常早期的时候就想要制造一种新的玩家沉浸。这个设计非常有野心，为了支持这个愿景开发团队需要达到一个功能上的新高度。
很少有游戏公司愿意让一个人全职三年就为了开发植被系统，或者让另一个人工作一年半就是为了让火更真实。这就是团队为了达到我们为自己设定的目标所付出的奉献与努力。

但是火焰功能并不是一开始就这么野心勃勃。

最初技术总监Dominic Guay指派Jean去做火焰传播的时候，Dominic预见到性能会是一个问题。
所以他最开始的计划是让火焰仅在小型的预先定义好的10x10m的小块草，以及一些非常小的物体上进行。
几周后Jean实现了Dominic想要的功能，于是制作人Louis-Pierre Pharand和Clint飞到巴黎像管理团队展示了Demo。
结果巴黎的管理层非常喜欢这个火，他们想要整个Savanna和每一棵树都能着火。因为Jean是个初级并且对这个东西开发起来多复杂没有概念，于是就同意去做了。

这就是火焰如何成为Far Cry主要特色的故事。

基础结构


Far Cry的火焰传播基于平均分布的网格，对于草使用2D网格，对物体和树使用3D网格。
每个格子（cell）都记录了它在世界中的坐标、范围和HP（hitpoints），格子们还有很多其它属性，但是这三条是火焰延烧所必需的。

点火！怎么放火？

游戏引擎记录了游戏内的所有伤害（damage），如子弹伤害，爆炸或火焰伤害。当一个游戏实体（game entity）被破坏，它会收到一个事件（event），这个伤害事件包括了伤害值，伤害类型和造成伤害的原因。如果伤害类型是基于火焰的并且该实体是可燃的（flammable），则以下两件事情会发生：

  • 首先，被伤害的实体的火焰网格（fire grid）会动态的生成。一旦生成，会一直存在。
  • 第二，我们找到距离伤害源最近的邻接格子，它们会受到伤害，HP会相应减少。
    当一个格子被火焰伤害并且失去了所有HP，它就着火了

烧起来之后，这个格子自己就变成了伤害输出者（damager）。它会对周围的格子造成伤害。周围格子HP归零之后，就会起火。这就是火焰传播的方式。

最后，格子需要一个有限的持续时间（lifetime），不然它会永远烧下去。它可以看作是为可燃材质设定的能量。比如，一片纸比一块木头的持续时间短。

技术细节

潮湿的雨林 vs 干燥的草地
增加雨林格子的HP，它就变得不容易点着，火焰传播会变慢。降低持续时间所以火会变得更快熄灭

如何创建传播网格
草/地：实时创建一个2D的网格并投影到3D地形上。对每个格子判断它是否在水下，或者在石头、房子的下面，这些格子会被关闭并永远不会着火。

物体：创建一个AABB完全包括物体，平均切分Bounding Box到很多小方块（方块数量取决于物体大小以及性能）。循环监测每个方块并进行碰撞检测，去掉无效的格子。

风

风为玩家增加了一层真实性。这里我们很容易会想太多，然后去实现一套非常复杂的系统。

火焰朝风的方向传播的更快，我们对风的方向与邻接格子的方向做一个点乘（dot product），结果越大，那个格子受到的伤害越多。

这一条就可以获得一个很好的朝风的方向传播的钟形火线

向周围的东西传播以及链式反应

当一个格子起火，它会发送一个消息 “我着火了然后我得燃烧范围是这些”。这个事件被范围内的其它物体、AI以及其它游戏系统获取。它们分别对这条消息作出反应，AI会吓跑，可燃物受到伤害。

优化

植发策略（Hair Transplant Strategy）

在理想情况下，我们可以跑动很多的粒子发射器，我们可以在屏幕上显示大量的粒子。
不幸的是，在现实中这些数量其实都非常低。
我们需要把发射器放到最需要的地方，所以我们采用植发策略（Hair Transplant Strategy）！
在Far Cry 2中，火焰粒子发射器被不停的瞬移，最常见的是从相机远处移到相机前面。
并且近距离的时候发射器的密度更高，越远越稀疏。你可以把这想成一种火焰LOD。
如果我们需要更多发射器但是没有预算了，我们就增大粒子尺寸让它们填充更多屏幕空间。
使用这个策略，我们可以模拟几米宽的野火，用相对少量的粒子发射器

事件管线

当你有上千个格子在燃烧并向世界广播事件时，你的CPU可能就快卡死了。
解决方法是重组格子们为AABB组，这些组会动态的合并、分裂、变形，来跟随火焰的变化。
于是事件变成由AABB发送，而不是每个格子。另外事件还可以分帧发送来避免性能尖峰。

可控性

如果不限制火焰传播，那么火焰会

烧毁全图杀死所有NPC
用几千个网格和发射器把内存挤爆
把帧率卡成PPT
以上所有
有很多方式可以解决个问题，我得方式可能不是最优解。但是我试图找到最简单可行的方案。
设计一个闭环系统为火焰分配传播点数（Spreading points）并且在传播的时候消耗点数。
举个例子，一个玩家扔了一瓶莫洛托夫到干草地上。这瓶莫洛托夫给了那小片草60点传播点数。
火焰燃烧草的时候，需要8点传播点数，于是这个火在结束前可以传播7个格子。
如果玩家扔了2瓶莫洛托夫，那个草片会有120点，使它能够消耗15个格子。

参考

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