Prozedurale Generierung großflächiger realistischer Landschaften in Echtzeit

Abstract

Diese Bachelorarbeit stellt einen Echtzeit-Landschaftsgenerator für realistische großflächige Landschaften vor. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Ansätze der prozeduralen Landschaftsgenerierung in Computerspielen und Computergrafik untersucht, welche sich durch unterschiedliche Anwendungen und Zielsetzungen unterscheiden. Dabei wurde festgestellt, dass es kaum Echtzeit-Landschaftsgeneratoren, implementiert in Computerspielen oder verwandten Arbeiten gibt, welche räumlich unbegrenzte und besonders großflächige Landschaften unter Beachtung geologischer Grundlagen und visuellem Realismus erzeugen können. Diese Arbeit soll diese Lücke schließen. Das Programm, welches mit der Unity-Engine entwickelt wurde, besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil wurde eine Engine entwickelt, welche auf Basis von Chunks theoretisch unendliche Welten generieren kann, indem anhand einer Spielerposition Chunks dynamisch nachgeladen werden können. Die grafische Darstellung erfolgt mittels einer Heightmap, welche für jede Koordinate eine Höhe und eine Farbe speichert. Die Generierung einzelner Chunks erfolgt mit Multithreading unter Benutzung des C#-Threadpools. Zudem gibt es ein Level of Detail System, welches die Mesh-Auflösung dynamisch anhand der Distanz zum Spieler anpassen kann. Im zweiten Teil wurde der eigentliche Landschaftsgenerator implementiert, welcher mit der mathematischen Verknüpfung von Noisefunktionen und Interpolationsalgorithmen für einen beliebigen reellen zweidimensionalen Inputvektor Heightmapdaten generieren kann, ohne dabei bestehende Daten zu benötigen. Im Unity-Inspektor können sämtliche Parameter des Landschafts generators konfiguriert werden. Der Landschaftsgenerator ist in der Lage kontinentales Terrain, Biome, unterschiedliches Basisterrain und vielfältige Oberflächenschichten zu generieren. Die vorgestellte finale Konfiguration beinhaltet die Generierung von 14 unterschiedlichen Biomen, welche zum Großteil von den Ökozonen der Erde abgeleitet sind, aber auch unterschiedliche Gebirgetypen beinhaltet. Als Oberflächen können unterschiedliche Böden, wie die Höhenstufen von Gebirgen, aber auch dreidimensional angedeutete Strukturen, wie Vegetation und Gewässer generiert werden, darunter Wälder, Seen, Flüsse, Schluchten und Felsen. Im Vergleich zu anderen Arbeiten sind die so generierten Landschaften subjektiv gesehen realis tisch, solange diese aus der Ferne betrachtet werden. Aus geologischer und physikalischer Sicht gibt es beim Realismus allerdings einiges Verbesserungspotential. Die Performance ist gut, selbst bei idealen Einstellungen werden alle Chunks in Sichtweite in etwa vier Sekunden generiert und geupdatet. Damit ist die Rechenzeit erheblich schneller als in Generatoren, welche mittels aufwändiger physikalischer Simulationen funktionieren, und ist gut geeignet für die Anwendung in einem Computerspiel, wie etwa einem Flugsimulator. Auch bei der Performance gibt es noch einiges Verbesserungspotential.