最近我一直在慢慢推进一个更大的个人项目。在这个过程中，我需要制作大量浮冰来填充一片北极海洋。我觉得在制作过程中用到的一些工具和方法可能会对不少人有帮助，所以我决定写一篇文章，详细描述其中一些技术。我尽量覆盖了下图场景中使用的大多数技术：从 SOPs 中的几何生成，到 LOPs/Solaris 里的着色与组装，并配合一些简单示例与 GIF。希望你读得开心，也能学到些有用的东西！
几何生成（Geometry Generation）
使用 RBD Material Fracture 生成基础形体（Generating Base Shapes with RBD Material Fracture）
为程序化建模找到一个好的基础形体至关重要。计算机科学里有一句很经典的话：“Garbage in, garbage out（输入是垃圾，输出也只会是垃圾）”。这在程序化建模里同样成立。
在这个设置里，我在一个简单的 box 几何上使用了 RBD Material Fracture 节点来创建基础形体。这个节点通常用于刚体模拟中的破碎效果，但它对程序化建模同样非常好用。
过去要做出类似的破碎几何往往需要相当复杂的网络（尤其是这个节点里一些更高级的功能），但现在只用这一个节点就能得到很棒的结果。
在这个例子里，我只是用了该节点的 concrete preset，稍微调整了生成参数，然后在 Detail 标签页里打开了 Interior Detail 与 Edge Detail。
RBD Material Fracture 的 exploded view。
💡
RBD Material Fracture 节点虽然非常强大，但它的功能也相对“臃肿”。如果你需要一个更快的网络，有时用 Voronoi fracture 或类似方式搭一个更精简的 setup 反而更合适。
接下来，为了把几何分成冰与雪两部分，我使用了 Boolean Fracture 节点。
Boolean Fracture 也是一个 RBD 节点。它有两个输入：你要破碎的几何，以及“切割面（cutting surface）”。这里我只用了一张简单的 grid，但你也可以发挥想象力，用它生成更复杂的破碎结构。回头看，我在这里也可以用普通的 boolean 节点；不过 RBD Boolean Fracture 会自动生成一个 name 属性，这在下一步会很有用。
Boolean Fracture 的 exploded view。
使用 Attribute Noise 添加细节（Adding Details using Attribute Noise）
此时我基于 name 属性用 Split 节点把两部分（冰与雪）分开，方便分别做细节。
对两侧几何，我都会先把它们转为 SDF（surface VDB）：用 VDB From Polygons 节点生成 VDB，然后再用 Convert VDB 节点转回 polygon。这是一种便宜又有效的方式，可以让面片分布更均匀。当你要添加噪声等程序化细节时，这会非常有帮助。
噪声乘 mask 的 nodegraph。我还把噪声输出拆成 X、Y、Z 三个分量，因为我希望能分别控制每个轴向。
从这一步开始，我基本就是用 Attribute Noise 节点不断叠加不同类型的噪声。对冰来说有一个比较独特的设置：我把 Element Scale 的 y 分量相对其他分量设得更大。这是为了得到你在下图里看到的那种“条带感”（它和我用作参考的冰的结构很像）。
噪声乘 mask 的 nodegraph。我还把噪声输出拆成 X、Y、Z 三个分量，因为我希望能分别控制每个轴向。
对雪来说，我想模拟一种我在参考图里观察到的效果：雪会在浮冰边缘附近堆积起来。
为了实现它，我使用了 SideFX Labs 工具集（https://www.sidefx.com/products/sidefx-labs/）里的一个很方便的节点：Measure Curvature。这个节点可以生成多种与曲率相关的属性。然后，为了让 mask 只出现在几何的上方区域，我用 VEX 根据 @N.y 做了一个限制，代码如下：
float curvature = f@convexity * chramp("Remap", @N.y);
@mask = curvature;
这段代码的核心就是：把 Measure Curvature 节点生成的 convexity 属性与一个基于法线 Y 分量的 ramp 相乘。换句话说，它确保 mask 只会作用在法线朝向 Y 轴正方向（朝上）的点上。
噪声乘 mask 的 nodegraph。我还把噪声输出拆成 X、Y、Z 三个分量，因为我希望能分别控制每个轴向。
最后，我在一个 point VOP 里基于这个 mask 添加了一些噪声。由于我们想要比较激进的塑形效果，所以 amplitude 设得很高。
噪声乘 mask 的 nodegraph。我还把噪声输出拆成 X、Y、Z 三个分量，因为我希望能分别控制每个轴向。
噪声乘 mask 的 nodegraph。我还把噪声输出拆成 X、Y、Z 三个分量，因为我希望能分别控制每个轴向。
在这一步之后，我只是继续叠加更多噪声层，subdivide 一次，然后又做了一次“VDB From Polygons → Convert VDB”的往返。这样做主要是为了清理一些由稍微极端的噪声层造成的网格瑕疵。
通过散布添加额外细节（Adding additional details using scattering）
在现有网格上散布几何，是添加复杂细节的一种非常有效的方式。这里我想模拟一点“雪块结团（snow clumping）”的感觉，于是我散布了一些我自己制作的简单雪团。我最终也把它们用于增加整体布局的复杂度。
这些小雪团的网络与上面生成冰与雪的方式非常类似：我创建一个 box，用 RBD Material Fracture 破碎，然后在一个 for each block 里对每一块加噪声并移动到原点。最后，我把它们 cache 出来，以免每次都重复计算。最关键的一点是要给每一块分配一个 name 属性；我在这里用 Connectivity 节点来完成。
雪团生成器网络。
接着，我把这套网络的输出接到 Copy to Points 节点，并基于由 Scatter 节点生成的点，把这些雪团散布到浮冰上；Scatter 的 density 则由一个 mask 来驱动。
mask 的生成方式如下（与前面分享的片段类似）。它的作用只是确保点大多落在网格顶部，即法线 Y 分量为正的区域。
f@mask = chramp("Remap", @N.y);
我不打算在这篇文章里过多展开散布细节，但我使用了 Attributes from Pieces 与 Scatter Align 的组合来做朝向、pscale，以及随机把不同 piece 分配给不同点等工作。
散布网络。
现在，把这套散布 setup 与我们的冰、雪网格合并后，就能得到类似下面的模型！
最终网格（至少其中一个版本）。
为快速变体设置 For-Each 循环（Setting up For-Each loop for fast variants）
在进入 USD/Solaris 之前的最后一步，是搭建一个 For-Each 循环，让我们能用同一套节点树生成多个变体。
具体做法是在最初的 RBD Material Fracture 之后添加一个 For-Each Named Primitive block，并把所有细节生成都放在 For-Each block 的 begin 与 end 节点之间。
网络的简化概览。
通过这种方式，你就能为每一个破碎出来的 piece 生成一个完整模型。你甚至可以把图中某些区域放进 Compile-Block 来实现多线程加速。
如果你想把每个模型居中，可以在 For-Each block 的开头加一个 transform 节点，把 translate x、y、z 设为负的 centroid。这样可以把网格中心放到原点。
Translate X: -centroid(0, D_X)
Translate Y: -centroid(0, D_Y)
Translate Z: -centroid(0, D_Z)
把每个 piece 的网格中心放到原点。
另一个很棒的做法是：为每个 piece 改变 noise offset。你可以利用 Meta Import 节点生成的 iteration detail attribute 来实现。要添加 Meta Import 节点，请在 For-Each Begin 节点里点击这个按钮：
通过 SOP Import 加载几何。
这会在你的网络里创建一个新节点，你可以引用它来访问当前迭代编号等信息。例如，你可以像下面这样把它用于 Noise Pattern Offset：
通过 SOP Import 加载几何。
detail("../foreach_begin1_metadata1/", "iteration", 0)
快速技巧：在 VEX 中做立方体 UV 投影（Cubic UV Projection）
在我们彻底离开 SOPs 之前，我想分享一段我用来为这些模型生成 UV 的脚本。我希望用程序化方式生成 UV，这样我就能制作无限多的模型变体，而不需要担心手工展开 UV。
程序化生成 UV 往往比较棘手，但我在这个项目中找到了一个很棒的 VEX 片段，感谢 Konstantin Magnus。它会生成一种 Cubic UV Projection，在我的案例里非常好用。他在这里写过一篇文章介绍它：https://procegen.konstantinmagnus.de/cubic-uv-projection-in-vex
为 Solaris 准备几何（Prepping geometry for Solaris）
从 SOPs 设置正确的 Name 属性并创建 proxy（Setting up proper Name Attributes from SOPs and creating proxies）
我知道我说过我们要结束 SOPs 了，但我们还需要做最后一件事——它与 USD 以及 LOPs/Solaris 的关系非常紧密。
如果你曾经把 Maya 的内容导入 Houdini，你可能知道：每一块几何在 Outliner/Scenegraph 中的路径会以字符串形式存储在 path 属性里。比如你在 Maya 里创建了一个名为 “box_geo” 的 object，并把它放进一个名为 “box_grp” 的 group 里，导出到 Houdini 后，它会带有一个 path 属性，值为 “/box_grp/box_geo”。
由于 USD（以及 Solaris）同样是基于层级结构的场景描述系统，因此它也有一个类似的机制：当你把几何从 SOPs 导入到 LOPs 时，name 属性里存储的值可以用来告诉 USD：应该把几何放到 scenegraph 的哪个位置。
因此，对于 For-Each 循环里的每一个几何，我添加了两个 Name 节点：一个用于全分辨率的渲染几何，一个用于 proxy 几何（下一节会讲到——别担心！）。我同样利用 For-Each metadata 节点提供的 iteration detail attribute 来确保每次迭代都有独一无二的标识符。
渲染几何的 name 属性是这样的：iceSlab_grp/iceSlab_#/render/ice_geo
proxy 几何的 name 属性是这样的：iceSlab_grp/iceSlab_#/proxy/ice_geo
通过 SOP Import 加载几何。
最后，渲染几何与 proxy 几何本质上是同一份几何，只是 proxy 版本通过一个比较激进的 polyreduce 降低了面数。
前言：USD Purposes（Preface: USD Purposes）
那么我们要用这份低分辨率几何做什么？proxy 几何会作为你在 viewport 做 layout 等工作时的预览版本。这样一来，除非你要做最终渲染，否则你不需要加载沉重的高分辨率几何——工作效率会明显提升。
这种做法在制作流程里非常常见，而 USD 甚至为这种工作方式提供了一个内置特性：USD Purposes。
如果稍微“抠字眼”一点，USD Purposes 是 UsdGeomImageable schema 上提供的一个内置属性。但你真正需要知道的是：它是 USD/Solaris 中你会经常用到的一个特性，对几乎所有常见几何类型都适用。
它是一个包含 4 种设置的小属性。从技术上讲，DCC 可以按自己的方式解释它，因为它只是 USD 提供的一个 hint，告诉应用程序如何理解这个 primitive。但一般来说，它是这样工作的：
- default = 没有特殊 purpose，primitive 在所有模式下可见
- render = primitive 只在最终渲染中可见
- proxy = primitive 只在 viewport 中可见
- guide = 为只想显示 guide 的应用提供的特殊 purpose（我个人还没用过）
💡
这一节里你会看到我不时提到 primitive。如果你还不太熟悉 USD：primitive 基本上就是 Solaris scenegraph 里你能看到的一切元素。
几何、组、材质、渲染设置……都属于不同类型的 primitive。
它们是 USD 的构建块（building blocks）。
把几何从 SOPs 加载到 LOPs，并设置 Purposes 与 Variants（Loading Geometry from SOPs into LOPs and setting up Purposes and Variants）
首先，为了把几何加载进 LOPs（Solaris），我们打开 /stage context，并添加一个 SOP Import 节点。这个节点非常直接，只需要指定一个 SOP path，就能把几何直接导入到 LOPs。为了更好地利用 name 属性，我还建议你打开 “Import Path Prefix”，并把它设为 /。
通过 SOP Import 加载几何。
完成这一步后我们会遇到一个问题：我们希望一次只使用一块浮冰，但现在它们全都同时可见。USD 有一个非常棒的功能可以解决这个问题：Variants。它在我们进入 layout 阶段时会变得更加重要。
Variants 允许我们为一个对象提供多个不同变体。比如可以是不同着色版本，也可以是完全不同的几何。在我们的例子里，我们只是想在不同浮冰变体之间切换。
我们当然可以手工完成，但因为数量很多，我更希望用 For-Each loop 自动生成它们。
由于我们是在修改已有 primitives，因此需要把 scenegraph 同时接到 For-Each end 节点与 For-Each begin 节点的第一个输入端。
接下来要创建 variants，我们需要创建一个 Add Variant 节点（在 tab 菜单里选择 Add Variant to New Primitive）。把 For-Each begin 节点接到 Add Variant 的第一个输入端，然后像下图那样，在第二个输入端接一个 Isolate 节点，并把 prim pattern 设为 `@ITERATIONVALUE`。
其中
\`@ITERATIONVALUE\`
指向的是当前循环迭代中 primitive 的路径。
着色网络
在 Add Variant 节点里，你只需要把 Primitive Path 设为顶层组（因为我们希望用户在顶层组上切换 variant），并把 Variant Name Default 设为 iceSlab_`@ITERATION`。这会成为每个 variant 的名字。
💡
@ITERATION 是我们在 For-Each loop 中可以使用的一个特殊属性，它表示当前迭代编号。在这里我们同时用它来选择要 isolate 的浮冰 piece，以及为 variant 命名。
着色网络
完成上述操作后，我们希望之前放进 /render/ 路径的几何只在渲染时启用，而 /proxy/ 路径的几何只在 viewport 中启用。
因为我们已经有一个 For-Each loop，所以只需要在 Isolate 节点下方添加一个 Configure Primitive，并分别对 proxy 与 render 几何进行设置即可。如何搭建可以参考下面的截图。
我每天都会用 Configure Primitive 节点，它非常实用。对我们这个用例来说，它内置了设置 Purpose 的选项，所以我们不需要写任何手工代码。
着色网络
着色网络
着色网络
完成这些后，我们只需要用 USD ROP 把 For-Each loop 的结果写出为一个 .usd 文件，就可以进入着色、布局与渲染阶段了！
你可以用一个 Set Variant 节点，选中你配置 variants 的那个 primitive，来测试新生成的 variants。
用 Karma 进行布局与渲染（Layout & Rendering with Karma）
在 Karma 中设置材质（Setting up materials in Karma）
这一节会短一些，因为这组镜头的渲染设置与着色相对简单。
model.usd 文件通过一个 Asset Reference 节点加载（也可以用普通的 Reference 节点），材质则通过 Material Library 来添加。
我会在之后的某篇文章里介绍我整体的材质工作流；这里的雪与冰材质基本就是用 Subsurface 与 Refraction 组合出来的，并且在冰的折射里加入了一点淡蓝色。我的材质是用 Classic Shader Core shader 搭建的，并叠加了不同层级的噪声来做整体表面变化。
着色网络
在 Karma 中做布局（Layout in Karma）
这组镜头的布局过程也非常简单：我做了一个简单的相机运动，用 SOP Create 里的一个 grid 做海面，并在 displacement 中加入一些噪声，同时配上一个完全反射与折射的材质。
💡
提示：让水看起来正确的一个关键技巧，是把 IOR 设为大约 1.33 作为起点。
随后我用 Copy to Points 节点来散布浮冰（它本质上就是一个带了一些 presets 的 Instancer 节点）。如果你进入 Copy to Points 节点内部，你会看到一个 SOP context：我在其中创建了一个大 grid，并在上面散布点。Instancer 会把 primitive 实例化并散布到这些点上。
💡
记得把 Instancer 节点的 Method 设为 “Point Instancer”。这是 USD 中性能最好的散布方式，缺点是相比常规 instance 灵活性略低。但在这里它是理想选择。
用于散布的 LOPs 网络
Instancer / Copy to Points 节点内部的 SOP 网络
Karma 中的灯光（Lighting in Karma）
这个场景的灯光非常简单：只有一张 HDRI。通常我会把 HDRI 里的太阳涂掉，然后加一盏自己的方向光，但在这个案例里，HDRI 原样就很合适。
我使用的 HDRI 来自 https://polyhaven.com。
在渲染设置方面，我只是把 Reflection、Refraction 和 SS Quality 略微提高，并把 Primary Samples 设到大约 48。使用 CPU Engine 在一台 M2 Ultra 的 Mac Studio 上，每帧渲染时间大概是 30 分钟。
Karma 渲染设置
这是最终镜头：
加餐：在 Karma 中基于 primvars 创建自定义 AOV（Bonus: Creating custom AOVs based on primvars in Karma）
在结束之前，我想快速讲一下：如何在 Karma 里基于 Primvars 创建 AOV。这在很多需要更灵活合成的场景中都很有用。
你可以在 Karma Render Settings 中非常容易地完成：滚动到 Image Output 标签页底部，展开 Extra Render Vars 面板。
在这里你可以为 AOV 在 “Name” 参数里指定名字，并设置 Data Type 与 Primvar 的 Source Name。也别忘了把 Source Type 设为 Primvar。
如果你不熟悉 primvars，我推荐阅读 Luca Scheller 写的优秀 USD Survival Guide 相关章节：https://lucascheller.github.io/VFX-UsdSurvivalGuide/core/elements/property.html#attributePrimvars
简单来说，它是一个特殊的 attribute 命名空间，能够确保该 attribute 会被导出到渲染中。它很适合用来添加需要被着色器与 AOV 访问的属性。
如果你读到了这里，真的非常感谢！我计划未来写更多类似类型的文章。如果你希望看到某个主题，欢迎留言。
我也很想知道：你是否把其中某些技术用到了自己的项目里。
如果你希望在我发布更多文章时收到通知，欢迎在下方订阅！