Niagara实现procedural浪花

8,006 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：

8,006 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  6. Vivod iz zapoya na domy_dbSn

    Привет из Екатеринбурга. Брат совсем потерял человеческий облик. Родственники не знают куда бежать. Скорая не реагирует на пьянку. Короче, только эти ребята реально помогли — вывод из запоя цены фиксированные. Врач осмотрел и начал детокс. В общем, сохраните себе в закладки — вывод из запоя капельница екатеринбург https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-dyz.ru Промедление может стоить жизни. Киньте ссылку нуждающимся.

    Reply ↓
  8. 888starz_hiol

    888starz rasmiy sayti O’zbekistonda kazino o’yinlari va sport tikishlari uchun asosiy maydon hisoblanadi.

    Eng mashhur va yangi o’yinlar rasmiy saytning kazino bo’limida birinchi o’rinda ko’rsatiladi.

    Rasmiy saytda futbol, tennis, basketbol va kibersport kabi ko’plab sport turlari mavjud.

    888starz 888starz.

    Reply ↓
  10. DonnyReody

    Skipped past the first paragraph thinking it was setup and had to come back when the rest referenced it, and a stop at focusenablesvelocity similarly rewarded careful reading from the start, content where every paragraph carries weight is content I now know to read from the beginning rather than skipping ahead.

    Reply ↓
  14. Vivod iz zapoya na domy_ecKa

    Здарова, народ. Отец уже шестой день пьёт. Жена на грани нервного срыва. Скорая реагирует только на угрозу жизни. Итог, выручила эта служба — круглосуточный вывод из запоя с выездом. К вечеру человек пришёл в сознание. В общем, контакты и стоимость тут — капельница от запоя на дому капельница от запоя на дому Не медлите. Вдруг это спасёт кого-то.

    Reply ↓
  16. Vivod iz zapoya na domy_kzKa

    Здарова, народ. Отец уже шестой день пьёт. Соседи уже начали звонить в участок. В платной наркологии — бешеные счета. Итог, выручила эта служба — анонимный вывод из запоя на дому. Врач сразу поставил капельницу. В общем, запишите себе — выведение из запоя на дому в екатеринбурге выведение из запоя на дому в екатеринбурге Звоните немедленно. Скиньте тем, кто в отчаянной ситуации.

    Reply ↓
  19. 888starz_uuSn

    888starz O’zbekiston uchun kazino o’yinlari va sport tikishlarini qamrab olgan to’liq funksional platformani ochadi.
    888starz https://oerknal.org/
    Foydalanuvchilar uchun Keno, Wheel, Bingo va Aviator kabi ommabop tezkor o’yinlar mavjud.
    Jonli tikish rejimi o’yin davomida koeffitsiyentlarni real vaqtda yangilab boradi.
    Bonusni to’liq olish uchun ro’yxatdan o’tishda 888UZ777 promokodidan foydalanish tavsiya etiladi.
    Rasmiy sayt sutkalik yordamni jonli chat va elektron pochta orqali ta’minlaydi.

    Reply ↓
  21. Vivod iz zapoya na domy_poSn

    Доброго времени. Случился ад. Дети напуганы до смерти. В диспансер отвозить — позор на район. Короче, единственные кто приехал без предоплаты — круглосуточный вывод из запоя на дом. Врач осмотрел и начал детокс. В общем, сохраните себе в закладки — вывести из запоя вывести из запоя Не откладывайте. Может, кому-то она спасёт близкого.

    Reply ↓
  22. AlexWigue

    Reading this gave me a small jolt of recognition for an experience I thought was just mine, and a stop at emynox produced more such jolts, content that universalises private experiences without flattening them is doing genuinely useful work and this site is providing that recognition function for me reliably across topics I read.

    Reply ↓
  23. Vivod iz zapoya na domy_hcei

    Доброго дня. Мой отец уже четвёртый день в запое. Жена на грани срыва. Скорая только забирает за 100 км. Короче, единственные, кто приехал без вопросов — вывод из запоя цены фиксированные. Через пару часов человек задышал ровно. В общем, цены и телефон тут — вывод из запоя наркология вывод из запоя наркология Звоните прямо сейчас. Вдруг это спасёт чью-то жизнь.

    Reply ↓
  24. 888starz apk_cjkr

    888starz скачать 888starz скачать

    888starz rasmiy sayti O’zbekiston foydalanuvchilari uchun o’yin-kulgi va sport tikishlarining to’liq to’plamini taqdim etadi.

    Sayt mashhur Aviator crash-o’yini va TV o’yinlarini yagona interfeysda jamlaydi.

    Jahon ligalari va mahalliy musobaqalar bo’yicha keng tikish liniyalari taqdim etiladi.

    Birinchi depozitga +100% bonus beriladi — maksimal 1500€ va 150 bepul aylantirish.

    Hisob telefon raqami yoki email orqali bir necha daqiqada yaratiladi.

    Reply ↓
  25. 888starz_zuSn

    888starz O’zbekiston uchun kazino o’yinlari va sport tikishlarini qamrab olgan to’liq funksional platformani ochadi.
    888starz uz 888starz uz.
    Foydalanuvchilar uchun Keno, Wheel, Bingo va Aviator kabi ommabop tezkor o’yinlar mavjud.
    Jonli tikish rejimi o’yin davomida koeffitsiyentlarni real vaqtda yangilab boradi.
    Rasmiy sayt haftalik keshbek va muntazam bonuslar bilan faol o’yinchilarni taqdirlaydi.
    Rasmiy saytda mahalliy va xalqaro to’lov usullari qulay limitlar bilan mavjud.

    Reply ↓
  26. 888starz_zcKr

    Rasmiy platforma ravon o’zbekcha menyu va tartibli dizaynga ega.
    Aviator crash-o’yini, Keno, Wheel va Bingo kabi tezkor formatlar bitta bo’limga jamlangan.
    888starz 888starz
    O’yinchi o’yin davomida jonli stavka qo’yib, natijalarni real vaqtda kuzatishi mumkin.
    Maksimal bonusga erishish uchun ro’yxatdan o’tishda 888UZ777 promokodi kiritiladi.
    Ro’yxatdan o’tish jarayoni tez va minimal ma’lumot talab qiladi.

    Reply ↓
  27. Hunterdah

    Started reading expecting to disagree and ended mostly nodding along, and a look at soberviola continued the pattern, content that wins agreement through evidence and reasoning rather than rhetorical force is the kind that actually shifts minds and this site clearly knows how to do that across what I have read so far.

    Reply ↓
  28. Vivod iz zapoya na domy_bhKa

    Всем здравствуйте. Близкий человек не вылезает из запоя. Жена на грани нервного срыва. В платной наркологии — бешеные счета. В общем, единственные кто приехал без лишних вопросов — круглосуточный вывод из запоя с выездом. К вечеру человек пришёл в сознание. В общем, нажмите, чтобы сохранить — выведение из запоя на дому в екатеринбурге выведение из запоя на дому в екатеринбурге Промедление может стоить здоровья. Вдруг это спасёт кого-то.

    Reply ↓
  29. Vivod iz zapoya na domy_oeSn

    Всем салют. Отец не выходит из штопора. Родственники не знают куда бежать. Скорая не реагирует на пьянку. Короче, профессиональные врачи с горячими руками — анонимное выведение из запоя с капельницей. Врач осмотрел и начал детокс. В общем, все контакты по ссылке — выезд на дом капельница от запоя https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-ekaterinburg-dyz.ru Звоните прямо сейчас. Может, кому-то она спасёт близкого.

    Reply ↓
  30. Vivod iz zapoya na domy_rwKa

    Привет из Екатеринбурга. Муж не встаёт с кровати. Родственники не спят ночами. Скорая реагирует только на угрозу жизни. В общем, только эти врачи смогли помочь — срочное выведение из запоя капельницей. К вечеру человек пришёл в сознание. В общем, нажмите, чтобы сохранить — вывод из запоя вывод из запоя Звоните немедленно. Скиньте тем, кто в отчаянной ситуации.

    Reply ↓
  31. Vivod iz zapoya na domy_vcKa

    Всем здравствуйте. Беда пришла. Дети боятся заходить в комнату. В диспансер сдавать — ужас. В общем, единственные кто приехал без лишних вопросов — срочное выведение из запоя капельницей. К вечеру человек пришёл в сознание. В общем, вся информация по ссылке — снятие интоксикации на дому снятие интоксикации на дому Промедление может стоить здоровья. Вдруг это спасёт кого-то.

    Reply ↓
  33. 888starz apk_jekr

    888starz скачать 888starz скачать

    Butun interfeys o’zbek tilida bo’lib, saytdan foydalanish oson va tezkor.

    Kazinoda Evoplay, Spade Gaming, Smartsoft va Spinthon kabi studiyalardan minglab slot mavjud.

    Jonli tikishda koeffitsiyentlar o’yin borishiga qarab real vaqtda o’zgarib turadi.

    Muntazam keshbek va promo takliflar o’yinchilar uchun doimo mavjud.

    Mijozlarga yordam xizmati kun bo’yi bir nechta kanal orqali javob beradi.

    Reply ↓
  35. Vivod iz zapoya na domy_snKa

    Доброго дня. Близкий человек не вылезает из запоя. Дети боятся заходить в комнату. Скорая реагирует только на угрозу жизни. В общем, только эти врачи смогли помочь — круглосуточный вывод из запоя с выездом. К вечеру человек пришёл в сознание. В общем, контакты и стоимость тут — капельница от запоя на дому цена капельница от запоя на дому цена Не медлите. Вдруг это спасёт кого-то.

    Reply ↓
  39. 888starz_ieKr

    888starz mobil versiyasi va Android hamda iOS ilovalari harakatda ham o’ynash imkonini beradi.
    Jonli kazino bo’limida real dilerli ruletka, blekjek va bakara stollari yigirma to’rt soat ishlaydi.
    888starz 888starz
    888starz o’nlab sport turlariga — futboldan kibersportgacha — tikishni taqdim etadi.
    888starz doimiy promolar, keshbek va slot musobaqalari bilan o’yinchilarni qo’llab-quvvatlaydi.
    To’lovlar karta, elektron hamyon va kriptovalyuta orqali qabul qilinadi va chiqariladi.

    Reply ↓
  45. 888starz_lnSn

    888starz rasmiy sayti o’zbekistonlik o’yinchilarga kazino, jonli o’yinlar va sport stavkalarini yagona joyda taqdim etadi.
    888starz https://oerknal.org/
    888starz TV o’yinlari va Aviator kabi crash-o’yinlarni yagona bo’limda birlashtiradi.
    888starz eng muhim sport tadbirlariga raqobatbardosh liniyalar bilan tikishni ta’minlaydi.
    888starz doimiy aksiyalar — keshbek, promo va slot turnirlari bilan o’yinchilarni rag’batlantiradi.
    888starz depozit va yechib olish uchun karta, hamyon va kripto kabi turli usullarni taklif etadi.

    Reply ↓

Leave a Reply

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