Niagara实现procedural浪花

8,095 Replies

『部分工程文件点我下载』
『知乎转载链接』
『有点相关的Unreal Circle演讲』

Summary

因为本文涉及到的内容比较广，关于Niagara最基础的一些部分比如怎么新建、怎样添加使用模块就不详细说明了，没用过的同学可以先看一下Epic官方文档的介绍：
Niagara核心概念

和贾越同学的系列教学直播：
https://www.bilibili.com/video/av73602807

本次工程效果：

为了实现海浪拍到岩石上激起千层浪的感觉，我们可以看到有几个表现上的关键点

  • 在岩石附近生成水花
  • 水花激起的时机和位置与海水的流动匹配
  • 出射速度受到海水运动和石头表面的撞击情况影响
  • 激起后水花的体积感

海面的模拟 – Gerstner Waves

游戏里模拟海水的途径是一门艰深的课题，本文就不多涉及了。这里为了制作需要，介绍一下相对直观实用的Gerstner Waves。

在流体动力学中，Gerstner Waves是周期表面重力波的欧拉方程方程的精确解。它计算机图形技术之前很久就出现了，用来描述不可压缩流体的表面波动。

单一Gerstner Wave材质应用在一个平面上的效果如图：

数学时间


我们可以看到每一个点不止有Z轴方向的运动，也有XY轴的运动。并且这不是一个简单的sin波而是带有‘浪尖’的波形，这些都是Gerstner Wave的重要特征。

因为篇幅原因这里就不具体说公式了，本节末尾提供了我做好的材质节点可以直接下载取用。详细算法可以参考：

Chapter 1. Effective Water Simulation from Physical Models

https://developer.download.nvidia.com/books/HTML/gpugems/gpugems_ch01.html

简单说来，定义一个波形的属性有：

[高度, 前进方向, 波长, 陡峭度]

我们定义相位φ

φ = 方向 ⋅ 位置 / 波长 + 频率 * 时间

其中

频率 = sqrt(重力 * 2π / 波长)

那么以

z轴偏移 =  高度 * sin(φ)

xy轴偏移 = 陡峭度 * 高度 * 方向 * cos(φ)

的形式去移动海面的顶点，顶点会沿着椭圆绕圈（左图），一系列的顶点组合在一起就会形成具有浪尖的波形。

引擎内实现

在引擎里的实现可以用HLSL写在Custom节点里，你也可以选择用节点连。执行效率上，节点连出来的公式和HLSL代码没有区别。

材质函数 MF_GerstnerWave

核心部分：

float3 d = float3(sin(DirectionInDegrees * 0.0174533), cos(DirectionInDegrees * 0.0174533), 0);  // 为了控制方便，输入并不是一个向量而是角度，这里转换一下

float w = 6.2831854 / L;

float theta = sqrt(6.2831854 * Gravity / L); // 由波长算出频率

float q = Stiffness / (Amplitude * w); // q是控制浪尖陡峭度的系数

float phase = dot((w * d).xy, WorldPosition.xy) – theta * Time; // 喂给cos和sin的相位

float3 offset = float3(q * Amplitude * d.xy * cos(phase), Amplitude * sin(phase)); // 照抄上面公式

这部分我放在了BlueprintUE.com里，点下面链接直接把节点复制粘贴到UE材质编辑器里就可以得到图上的节点：

https://blueprintue.com/blueprint/tt5p124n/

波形叠加

显然，一条波并不能说非常炫酷，Gerstner Wave的典型做法是把多条波叠加在一起。上面提到每条波可以控制的变量有：[高度, 前进方向, 波长, 陡峭度]

要合并多个波形，首先考虑的是波长，因为能组合的波长数量有限（8个已经很多了），我们无法完全参照真实世界的海洋数据，只能尽可能利用能付出的资源。由于波长相似的wave在叠加时看起来更有错综复杂的动态表现，我们可以在输入参数里首先给一个波长的中值LengthMedian，然后让不同wave的波长围绕这个中值变化。这样只要保留所有wave的波长与LenghMedian的比例，就可以通过改变LengthMedian来调整整个海洋的波浪大小：

在定义一组waves的结构FGerstnerWavesParameters中，美术可以在海洋的蓝图Actor上直接填写LengthMedian。

接下来，美术可以手动填写各个wave和LengthMedian的比例，也可以像我一样偷懒，填一个LengthMultiplierRange然后随机选取范围内的比例，在场景里拖动Seed直到随出一个好看的组合。

类似的方法同样适用于高度, 前进方向, 陡峭度。要注意的是，wave的高度和波长存在正相关关系，简单的做法是定义一个常数比例，让每个wave高度和和波长的比例保持一致。而在定义前进方向时会类似的给出一个DirectionRange定义前进方向的范围。

Niagara GPU粒子的生成

匹配水面位移

上面说了这么多，海面Shader内的位移数据其实并不能被外界直接读取，为了让Niagara能获取到海面的位移数据从而实现位置的同步，我们需要额外做一些工作：

方块：Niagara GPU particles

因为Gerstner Wave算法是确定性的，即给定同样的 [ 高度 | 前进方向 | 波长 | 陡峭度 ] 这样一组参数，不管在哪算出来的波形都是一样一样的。所以我们只要把与海面同样的参数传入Niagara System，就可以让Niagara粒子去‘追踪‘海面的粒子。（如上图）

传参

Normal难度：

上面说到，海面的波形是由好几个不同的Gerstner Wave组成，这里我用了8个，那么需要匹配海面的形状，其实在生成浪花时我们不用考虑所有8个waves，只考虑最大的一或两级wave，视觉上就很难看出不完全吻合的细节差别了。

Hard难度:

这一块可选阅读，可以跳过，对下面内容的理解没有影响。

可是如果我觉得这样做身体不适，非想传所有数据达到完美同步呢？ 也不是没有办法。4个参数 x 8组 = 一共32个float变量，手动命名并且在蓝图里拉面条，再在Niagara模块上一个一个拖上去也不是不行.. 如果你想做得灵巧些，我发掘了一个输入数组的hack：

因为Niagara还在beta阶段，一些功能还在持续改进中，这个hack可能以后也不需要。我介绍一下的另一个原因是觉得对增加对Niagara的理解有所帮助。

开始我想把数据通过DrawToRenderTarget写到一张贴图上，让Niagara读，但因为操作太不友好并且不支持CPU粒子放弃了。后来发现Niagara里的Curve型变量是同时支持CPU和GPU的，读取也很方便。我在蓝图里把需要的变量写入到一个Curve asset里，Niagara内reimport更新就可以，很方便。

不过Curve key的格式是有讲究的，Niagara CPU sim在读curve时，直接就读对应位置的key value。但GPU sim上会首先把curve编码成一个1×128像素的Lookup table，然后再读对应位置的数据，这就导致如果key的time位置不是100%对到LUT的像素位置上，encode后会出现偏差，这个偏差在我们现在的应用中是无法容许的。

好在encode的逻辑非常直接，只是取第一个key和最后一个key的time看范围，normalize到[0.0, 1.0]之间：

所以要达到key和LUT的像素对齐，最简单的方式是让time = [0, 1, 2… 127]，这样不需要额外操作，在GPU sim上读取即可。

最后一个key的time是127.0

这样我们就实现了可以在一个curve里记录128个float值。剩下要做的就是再BP里根据一定规则把8个wave的一系列参数编码，再从Niagara模块里通过相同规则解码。这里4个参数*8个wave，规则就是很简单的按照一定间隔记录了32个值。

按照一定间隔，在整数Time上记录了每一组parameters

在Niagara module中通过类似方式解压

定义GPU粒子的碰撞行为

Distance Field Collision

系统提供的collision模块非常健全，包括CPU trace碰撞，GPU depth / distance field碰撞等分支可以在下拉菜单中选择使用。我们这里使用GPU distance field碰撞，depth碰撞比较适合比较粗犷的效果，比如下雨下雪，稍微有点问题也看不出来，但如果水浪使用depth碰撞，岩石背面屏幕看不到的地方就会出错。

我们想有一些比较细腻的控制逻辑，比如这里水花撞到石头上，如果用默认的collision碰撞，反弹是朝着下图绿色的反射向量方向飞出去的，而流体撞到刚体的行为并不是这样完美的反弹，我们更想让它偏向下图紫色的角度。

下面三个gif分别展示不同反射角度的视觉：

反弹方向为绿色反射角
反弹方向为紫色切线角
反弹方向反射和切线之间的随机角度

定义这样的碰撞行为需要自己写模块，幸运的是这种逻辑都可以用Niagara的节点实现。引擎提供的Collision模块本身是一个宝藏，里面有各种碰撞的实现方式和模块编辑的best practice。在Collision – CollisionQueryAndResponse模块中我们探索一下可以发现：

点进去最底层的模块是：

即给出world position获得global distance field的数值和gradient，和材质里的DistanceToNearestSurface / DistanceFieldGradient结果是一样的，都是GPU内的query。

知道了这些，我们就可以很方便的自己写一个简单的collision判断：

并且在后面接上上面说到的反射角和切线角的逻辑–如果发现水浪粒子进行了第一次和岩石碰撞，那么就沿着我们想要的角度给一个初速度：

距离优化

同时因为有了distance field信息，可以在particle spawn时判断水浪粒子是否在岩石附近，如果不在就直接删除。

Smear

水花的材质想做好也是一项涉及很广的任务，我这里就是用了一个比较简单的云的贴图，稍微加工了下。值得一提的是通过particle的速度可以在材质里实现速度拉伸效果，对表达浪花飞溅的夸张形态非常有帮助：

Smear = 0
Smear =3
Smear = 15

实现方式也很简单，因为粒子sprite是朝向camera的，我们只要以local position和移动速度的点积缩放sprite即可：

8,095 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  4. alkoholizem_tqpi

    Zivjo vsem skupaj. Danes bi rad spregovoril o necem pomembnem. Alkohol je dolgo casa vodil moje zivljenje. Potem pa sem na spletu naletel na resitev. Govorim o zdravljenju alkoholizma pri strokovnjakih, ki res znajo pomagati. Sprva nisem verjel. Ampak sem dal tej metodi priloznost in zdaj sem clovek na novo rojen. Vec o tem in o celotnem postopku si lahko preberete neposredno na uradnem viru: alkoholizem alkoholizem Alkoholizem je bolezen in se zdravi.

    Ce vi sami potrebuje pomoc — prosim, ne odlasajte. Srecno na vasi poti!

    Reply ↓
  13. Tonyinexy

    Really appreciate this kind of writing, no shouting and no clickbait headlines just steady useful content, and a quick look at dailyneedsstore kept that going, definitely a site I will be returning to whenever I need a sensible take on similar topics in the days ahead and also during slower work weeks.

    Reply ↓
  15. Brianbrags

    Если ищете надёжное казино с выплатами в тенге, присмотритесь к Vavada. Сайт работает быстро, страницы грузятся без задержек. Первый вывод прошёл без задержек — деньги пришли в течение часа. Играйте ответственно и устанавливайте лимиты на депозит. Зарегистрироваться и забрать бонус можно перейти. Репутация казино полностью оправдана.

    Reply ↓
  16. Vivod iz zapoya na domy_tjPa

    Всем здравствуйте. Муж вообще потерял связь с реальностью. Жена уже не знает куда бежать. В диспансер отвозить — стыдоба. Короче, помогли только эти ребята — срочное выведение из запоя с препаратами. Вкапали систему сразу. В общем, жмите чтобы не забыть — нарколог капельницу на дому https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-pcl.ru Не ждите чуда. Передайте тем, кто в беде.

    Reply ↓
  19. Vivod iz zapoya na domy_nbPa

    Всем здравствуйте. Брат не вылезает из штопора. Жена уже не знает куда бежать. В диспансер отвозить — стыдоба. В итоге, единственные кто справился быстро — срочное выведение из запоя с препаратами. Человек ожил через пару часов. В общем, сохраните себе на всякий случай — вывод из запоя в екатеринбурге https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-pcl.ru Не ждите чуда. Кому-то это может спасти жизнь.

    Reply ↓
  21. Vivod iz zapoya na domy_jfPa

    Доброго времени суток. Отец пьёт без просыпу. Жена уже не знает куда бежать. Скорая не приедет — не тот случай. Короче, единственные кто справился быстро — вывод из запоя цены гуманные. Приехали за 40 минут. В общем, контакты и цены здесь — нарколог вывод из запоя нарколог вывод из запоя Звоните прямо сейчас. Кому-то это может спасти жизнь.

    Reply ↓
  27. alkoholizem_njpi

    Zivjo vsem skupaj. Danes bi rad spregovoril o necem pomembnem. Alkohol je dolgo casa vodil moje zivljenje. Potem pa sem od prijatelja izvedel za to moznost. Govorim o odvajanju od alkohola pri Dr Vorobjev centru. Bil sem preprican, da je zame prepozno. Ampak sem dal tej metodi priloznost in zdaj sem clovek na novo rojen. Sam sem preucil celoten program in vsi kljucni podatki so na voljo na tej povezavi: odvisnost od alkohol odvisnost od alkohol Alkoholizem je bolezen in se zdravi.

    Ce vas prijatelj potrebuje pomoc — prosim, ne odlasajte. Verjamem, da se da!

    Reply ↓
  28. Jeromeslick

    Reading this slowly to give it the attention it deserved, and a stop at agavebarley earned the same slow read, choosing to read slowly is a small act of respect for content quality and very few sites earn that respect from me but this one did so without any explicit ask which is the cleanest way.

    Reply ↓
  29. Vivod iz zapoya na domy_taPa

    Всем здравствуйте. Отец пьёт без просыпу. Соседи грозятся вызвать полицию. Платные врачи дерут космические деньги. Короче, помогли только эти ребята — профессиональный вывод из запоя недорого. Человек ожил через пару часов. В общем, жмите чтобы не забыть — прокапаться от алкоголя на дому https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-pcl.ru Не ждите чуда. Кому-то это может спасти жизнь.

    Reply ↓
  30. Vivod iz zapoya na domy_fpPa

    Привет из Екатеринбурга. Ситуация аховая. Дети всего боятся. Платные врачи дерут космические деньги. Короче, помогли только эти ребята — круглосуточный вывод из запоя в Екатеринбурге. Человек ожил через пару часов. В общем, все данные по ссылке — вывод из запоя цены екатеринбург https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-pcl.ru Звоните прямо сейчас. Передайте тем, кто в беде.

    Reply ↓
  31. Vivod iz zapoya na domy_ypPa

    Доброго времени суток. Брат не вылезает из штопора. Соседи грозятся вызвать полицию. Скорая не приедет — не тот случай. Короче, действительно профессиональная бригада — круглосуточный вывод из запоя в Екатеринбурге. Человек ожил через пару часов. В общем, жмите чтобы не забыть — прокапаться от запоя цена https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-pcl.ru Каждый час без помощи — это риск. Кому-то это может спасти жизнь.

    Reply ↓
  32. Vivod iz zapoya na domy_brPr

    Здорово, народ. Отец не приходит в себя. Дети ходят как в воду опущенные. Платные клиники — грабёж. Короче, спасла только эта служба — срочная капельница на дому от запоя. Укололи детокс. В общем, сохраните в закладки обязательно — нарколог на дом вывод https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-hjm.ru Звоните не раздумывая. Киньте ссылку тем, кто рядом с бедой.

    Reply ↓
  33. Vivod iz zapoya na domy_qdPa

    Здарова, народ. Знакомый уже неделю в запое. Соседи грозятся вызвать полицию. Платные врачи дерут космические деньги. Короче, действительно профессиональная бригада — капельница от запоя на дому. Приехали за 40 минут. В общем, контакты и цены здесь — вывести из запоя вывести из запоя Каждый час без помощи — это риск. Кому-то это может спасти жизнь.

    Reply ↓
  34. Christopherces

    However many similar pages I have read this one taught me something new, and a stop at jewelbrookmerchantgallery added more new material, content that contributes genuinely fresh information rather than recycling what is already widely available is content with real informational value and this site is providing that informational freshness at a notable rate.

    Reply ↓
  35. Vivod iz zapoya na domy_rxPa

    Доброго времени суток. Ситуация аховая. Дети всего боятся. В диспансер отвозить — стыдоба. Короче, единственные кто справился быстро — срочное выведение из запоя с препаратами. Вкапали систему сразу. В общем, жмите чтобы не забыть — прокапаться от алкоголя на дому https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-pcl.ru Звоните прямо сейчас. Кому-то это может спасти жизнь.

    Reply ↓
  36. Vivod iz zapoya na domy_duPr

    Здорово, народ. Мой знакомый в запое четвёртые сутки. Дети ходят как в воду опущенные. Скорая даже не рассматривает такие вызовы. Короче, спасла только эта служба — вывод из запоя цены адекватные. Укололи детокс. В общем, жмите, чтобы не потерять — вывод из запоя капельница екатеринбург https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-hjm.ru Звоните не раздумывая. Вдруг пригодится.

    Reply ↓
  37. Vivod iz zapoya na domy_shPr

    Всем привет из Екб. Мой знакомый в запое четвёртые сутки. Соседи уже стали коситься. Скорая даже не рассматривает такие вызовы. Короче, спасла только эта служба — вывод из запоя цены адекватные. Укололи детокс. В общем, цены и телефон тут — вывод из запоя на дому екатеринбург https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-hjm.ru Не тяните время. Вдруг пригодится.

    Reply ↓
  38. Vivod iz zapoya na domy_abPa

    Доброго времени суток. Муж вообще потерял связь с реальностью. Соседи грозятся вызвать полицию. Скорая не приедет — не тот случай. Короче, действительно профессиональная бригада — вывод из запоя цены гуманные. Человек ожил через пару часов. В общем, жмите чтобы не забыть — вывести из запоя цена https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-pcl.ru Звоните прямо сейчас. Передайте тем, кто в беде.

    Reply ↓
  39. alkoholizem_uwpi

    Zivjo vsem skupaj. Moram povedati nekaj iz prve roke. Bil sem ujetnik odvisnosti. Potem pa sem od prijatelja izvedel za to moznost. Govorim o zdravljenju alkoholizma pri Dr Vorobjev centru. Bil sem preprican, da je zame prepozno. Ampak sem dal tej metodi priloznost in zdaj sem clovek na novo rojen. Vec o tem in o celotnem postopku si lahko preberete neposredno na uradnem viru: Dr Vorobjev center http://www.odvajanje-od-alkoho.com Alkoholizem je bolezen in se zdravi.

    Ce vi sami ne vidi izhoda — vredno je poskusiti. Nikoli ni prepozno za nov zacetek.

    Reply ↓
  40. Vivod iz zapoya na domy_dmPr

    Приветствую всех. Брат снова в штопоре. Жена места себе не находит. В бесплатную наркологию — табу. Короче говоря, спасла только эта служба — срочная капельница на дому от запоя. Укололи детокс. В общем, сохраните в закладки обязательно — нарколог капельницу на дому https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-hjm.ru Каждая минута на вес золота. Вдруг пригодится.

    Reply ↓
  41. Vivod iz zapoya na domy_imPa

    Здарова, народ. Муж вообще потерял связь с реальностью. Соседи грозятся вызвать полицию. Скорая не приедет — не тот случай. Короче, действительно профессиональная бригада — вывод из запоя цены гуманные. Человек ожил через пару часов. В общем, контакты и цены здесь — выведение из запоя на дому в екатеринбурге https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-pcl.ru Звоните прямо сейчас. Передайте тем, кто в беде.

    Reply ↓
  42. Vivod iz zapoya na domy_fhPr

    Добрый день. Мой знакомый в запое четвёртые сутки. Дети ходят как в воду опущенные. В бесплатную наркологию — табу. Короче говоря, единственные кто помог без нервотрёпки — выведение из запоя анонимно и безопасно. Выехали быстро. В общем, цены и телефон тут — капельница от запоя на дому цена https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-hjm.ru Звоните не раздумывая. Вдруг пригодится.

    Reply ↓
  43. CharlesroR

    Decided not to skim despite my usual habit and was rewarded for the discipline, and a stop at professionalix earned the same patient approach, training myself to recognise sites that warrant slower reading is part of being a careful online reader and this site is the kind that helps me practice that skill regularly.

    Reply ↓
  45. alkoholizem_jzpi

    Pozdravljeni, dragi moji. Moram povedati nekaj iz prve roke. Vsak dan je bil enak mucenje. Potem pa sem na spletu naletel na resitev. Govorim o odvajanju od alkohola pri Dr Vorobjev centru. Sprva nisem verjel. Ampak sem se odlocil за ta korak in zdaj sem clovek na novo rojen. Vse uradne informacije in podrobnosti sem preveril na spletni strani, posodobljene podatke pa si lahko ogledate tukaj: zdravljenje alkoholizma zdravljenje alkoholizma Alkoholizem je bolezen in se zdravi.

    Ce vi sami se bori z alkoholom — vredno je poskusiti. Srecno na vasi poti!

    Reply ↓
  46. 888starz_hokr

    Клиенты могут использовать чат на сайте, отправить письмо или изучить ответы в базе знаний для решения большинства проблем.
    starz 888 casino https://888starz-uzb4.com

    Reply ↓
  47. Vivod iz zapoya na domy_nePr

    Приветствую всех. Кошмар полный. Жена места себе не находит. В бесплатную наркологию — табу. Короче, реально крутые врачи попались — выведение из запоя анонимно и безопасно. Укололи детокс. В общем, цены и телефон тут — сколько стоит прокапаться от алкоголя цена https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-hjm.ru Не тяните время. Киньте ссылку тем, кто рядом с бедой.

    Reply ↓
  48. Vivod iz zapoya na domy_hjPr

    Всем привет из Екб. Отец не приходит в себя. Жена места себе не находит. В бесплатную наркологию — табу. Короче говоря, реально крутые врачи попались — круглосуточный вывод из запоя в Екатеринбурге. Выехали быстро. В общем, цены и телефон тут — капельница от запоя на дому капельница от запоя на дому Каждая минута на вес золота. Вдруг пригодится.

    Reply ↓
  49. 888starz_raki

    star 888 هي منصة مراهنات عبر الإنترنت تقدم ألعاب كازينو وخيارات رهان متنوعة للمستخدمين العرب.
    يستفيد اللاعبون من واجهة منظمة تساعدهم على العثور بسرعة على ما يرغبون به.

    القسم الثاني:
    تضمن العلاقات مع مطوري الألعاب مستوى متميزًا من الرسوم والخصائص.

    القسم الثالث:
    تُطبق 888starz إجراءات حماية متقدمة لحماية بيانات المستخدمين والمعاملات.

    القسم الرابع:
    تقدم 888starz عروضًا ترويجية ومكافآت لزيادة تفاعل المستخدمين.

    Reply ↓
  50. 888starz_jzKt

    888 staz هو موقع للمراهنات والألعاب الإلكترونية يقدم خدمات تسجيل الدخول والدعم بلغات متعددة.
    تُعرف 888starz كمنصة رائدة تقدم تجارب ترفيهية ومراهنات مبتكرة.

    القسم الثاني:
    تنوع الألعاب يساعد على تلبية أذواق اللاعبين المتباينة.

    القسم الثالث:
    توفر 888starz عروضًا ترويجية ومكافآت للمستخدمين الجدد والمستمرين.

    القسم الرابع:
    ينبغي على اللاعبين إدارة مخاطرهم وتحديد حدود للعب داخل 888starz.

    Reply ↓

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *