Niagara实现procedural浪花

7,966 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：

7,966 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  1. Vivod iz zapoya v stacionare_ossn

    Здорова, народ. Близкий человек потерял контроль над собой. Врачи на дом — временное решение. Государственная наркология — страшно и стыдно. Короче, действительно эффективный метод — наркология вывод из запоя в стационаре. Капельницы и препараты подбирали индивидуально. В общем, телефон и цены тут — выведение из запоя стационар https://vyvod-iz-zapoya-v-staczionare-nizhnij-novgorod-knd.ru Не надейтесь, что само пройдёт. Перешлите тем, кто в отчаянии.

    Reply ↓
  2. AndyGlick

    Closed it feeling slightly more competent in the topic than I started, and a stop at growthneedsmomentum reinforced that competence boost, real learning is rare in casual online reading but it does happen sometimes and this site managed to make it happen for me today which is genuinely worth pausing to acknowledge.

    Reply ↓
  4. Order fentanyl powder online

    Finally, the wait is over. Berlusconi Market (Berlusconimarket.com) is back in business,
    and I could not be happier. I have been waiting
    for them to return since they went out of business couple of years back.

    My fentanyl order arrived quickly, and the quality is exactly
    what I expected from Berlusconi Market (Berlusconimarket.com).
    It is no surprise that so many people missed
    Berlusconi Market (Berlusconimarket.com) given how much better they are than the competition.

    Reply ↓
  5. Vivod iz zapoya v stacionare_rqsn

    Всем привет. Близкий человек потерял контроль над собой. Врачи на дом — временное решение. Платные клиники — дорого и непонятно. Короче, действительно эффективный метод — вывод из запоя в стационаре круглосуточно. Капельницы и препараты подбирали индивидуально. В общем, телефон и цены тут — вывод из запоя в стационаре анонимно вывод из запоя в стационаре анонимно Не надейтесь, что само пройдёт. Перешлите тем, кто в отчаянии.

    Reply ↓
  6. Vivod iz zapoya v stacionare_vtsn

    Привет из Нижнего. Отец окончательно ушёл в штопор. Домашние условия не помогают. Государственная наркология — страшно и стыдно. Короче, единственное, что реально сработало — вывод из запоя стационарно под контролем врачей. Положили в палату на три дня. В общем, жмите, чтобы сохранить — вывод из запоя в клинике https://vyvod-iz-zapoya-v-staczionare-nizhnij-novgorod-knd.ru Не надейтесь, что само пройдёт. Перешлите тем, кто в отчаянии.

    Reply ↓
  7. RileyCar

    Easy to recommend, the content speaks for itself without needing additional praise from me, and a stop at exabuff only adds more reasons to send people this way, the kind of generous resource that benefits its readers without demanding anything in return is increasingly rare and worth recognising clearly today across the broader open internet.

    Reply ↓
  9. ColbyCoate

    A piece that built up gradually rather than front loading its main points, and a look at tomatotiara maintained the same gradual structure, content that trusts the reader to reach conclusions through accumulating reasoning is more persuasive than content that announces conclusions and then defends them and this site uses the persuasive approach.

    Reply ↓
  11. Octavioincup

    Quietly the post solved something I had been turning over without quite knowing how to phrase the question, and a look at alpinecovemerchantgallery extended that quiet solving, content that addresses unformulated needs is content with reader insight and this site has demonstrated that insight at a high rate across the pieces I have read recently.

    Reply ↓
  14. NevilleNom

    Liked that there was nothing performative about the writing, and a stop at forwardtractioncreated continued that genuine quality, performative writing tries to be witnessed rather than read and the difference between performance and substance is huge for the careful reader and this site has clearly chosen substance every time clearly.

    Reply ↓
  16. ElijahEnepe

    During a reading session that included several other sources this one stood out, and a look at ezabond continued the standout quality, the side by side comparison of sources during research is a useful exercise and this site has been winning those comparisons for me consistently across multiple research sessions during the last week.

    Reply ↓
  17. Vivod iz zapoya na domy_seEa

    Доброго дня, земляки. Близкий человек снова сорвался. Мать плачет. Платная клиника — деньги выкачивают. Короче, единственные, кто быстро приехал — вывод из запоя на дому срочно. Через пару часов человек пришёл в себя. В общем, контакты и цены тут — вывод из запоя нарколог 24 https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-sankt-peterburg-zqe.ru Звоните прямо сейчас. Перешлите тем, кто рядом с бедой.

    Reply ↓
  25. Vivod iz zapoya na domy_mkEa

    Питер, привет. Беда пришла в семью. Мать плачет. Скорая не приедет на такой вызов. Короче, спасла только эта бригада — капельница от запоя на дому. Врач поставил систему. В общем, вся информация по ссылке — вывода из запоя 24 https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-sankt-peterburg-zqe.ru Не ждите. Перешлите тем, кто рядом с бедой.

    Reply ↓
  29. Narkologicheskaya pomosh_skmn

    Всем здравствуйте. Беда случилась. Мать рыдает. В диспансер тащить — позор на район. Итог, реально профессиональные врачи — наркологическая помощь на дому срочно. Врач осмотрел и поставил капельницу. В общем, все контакты по ссылке — наркологическая помощь цена https://narkologicheskaya-pomoshh-nizhnij-novgorod-fql.ru Звоните прямо сейчас. Вдруг это спасёт жизнь.

    Reply ↓
  33. Ryderexind

    Worth flagging this site to a few specific friends who would appreciate the editorial sensibility, and a look at vaporsalt added more pages I will mention to them, recommending sites to specific people requires understanding both the site and the person and this site is making those personalised recommendations easy and natural for me.

    Reply ↓
  35. Vivod iz zapoya na domy_soEa

    Всем привет с Невы. Беда пришла в семью. Соседи уже стучат в стену. В наркологию тащить — страшно. Короче, спасла только эта бригада — капельница от запоя на дому. Приехали через 35 минут. В общем, контакты и цены тут — вывести из запоя цена https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-sankt-peterburg-zqe.ru Не ждите. Перешлите тем, кто рядом с бедой.

    Reply ↓
  36. 888starz_rmpi

    يستطيع المستخدم الحصول على ملف apk وتثبيته على جهاز أندرويد دون تعقيد.
    888starz تحميل https://theracingbicycle.com/
    قبل تثبيت apk على أندرويد ينبغي تفعيل السماح بالتثبيت من مصادر خارجية.
    يدعم ملف apk التحديثات التلقائية لضمان حصول المستخدم على أحدث إصدار دائمًا.
    يُنصح دائمًا بتحميل ملف apk من المصدر الرسمي لتجنب النسخ المعدّلة أو غير الآمنة.
    يحصل مستخدمو iOS على التطبيق بطريقة سهلة ومباشرة عبر الجهاز.

    Reply ↓
  37. 888starz_mdsr

    يخضع الموقع الرسمي لترخيص دولي يضمن حماية كاملة لحسابات اللاعبين.
    تظهر ماكينات السلوت الرائجة والإصدارات الجديدة بشكل بارز على الموقع الرسمي.
    888starz https://free-credits-report.com/
    تشمل المراهنات أهم الدوريات مثل البريميرليج والليجا الإسبانية وأبرز الدوريات المحلية.
    يحصل المستخدمون الجدد على مكافأة ترحيب حتى 1500 يورو إضافة إلى 150 فري سبين عند التسجيل.
    يتيح الموقع الرسمي وسائل دفع مرنة تشمل البطاقات والمحافظ والعملات الرقمية بحد إيداع يبدأ من 5 دولارات.

    Reply ↓
  38. Narkologicheskaya pomosh_ammn

    Всем здравствуйте. Брат уже пятые сутки не просыхает. Дети напуганы до смерти. Платная клиника — огромные счета. Итог, реально профессиональные врачи — наркологическая помощь на дому срочно. К вечеру состояние нормализовалось. В общем, жмите, чтобы сохранить — наркологическая помощь недорого наркологическая помощь недорого Каждый час усугубляет ситуацию. Вдруг это спасёт жизнь.

    Reply ↓
  39. Vivod iz zapoya na domy_lnEa

    Питер, привет. Брат не выходит из штопора. Мать плачет. В наркологию тащить — страшно. Короче, реально профессиональные врачи — выведение из запоя на дому анонимно. Сняли абстинентный синдром. В общем, не потеряйте — вывод из алкогольного запоя нарколог 24 https://vyvod-iz-zapoya-na-domu-sankt-peterburg-zqe.ru Звоните прямо сейчас. Перешлите тем, кто рядом с бедой.

    Reply ↓
  42. 888starz_wson

    888starz تحميل https://trurofoodfestival.com/
    لا يشغل ملف apk مساحة كبيرة ويعمل بسلاسة على معظم إصدارات أندرويد.

    تنطلق خطوات التثبيت بمجرد فتح الملف والموافقة على الأذونات المطلوبة.

    يبقي التطبيق المستخدم على اطلاع عبر إشعارات بالبونصات وتحديثات الأودز.

    تُؤمَّن معلومات الدخول والإيداع داخل التطبيق عبر بروتوكولات تشفير حديثة.

    يتم التثبيت على iOS بخطوات مباشرة دون الحاجة إلى إعدادات معقدة.

    Reply ↓
  43. 888starz_tloa

    يوفر 888starz للمستخدمين في مصر تجربة ترفيهية متكاملة تدمج الكازينو والرياضة في واجهة واحدة.

    يمكن للاعبين خوض جلسات كازينو مباشر بموزعين فعليين وبثّ عالي الجودة في أي وقت.

    يشمل قسم الرهان الرياضي أكثر من 40 رياضة تمتد من كرة القدم إلى الكريكيت والإي سبورتس.

    تتوالى المكافآت الدورية من استرداد نقدي إلى جوائز البطولات والترقيات الموسمية.

    يقدم الموقع خدمة عملاء متواصلة طوال اليوم بالعربية والإنجليزية عبر المحادثة الفورية.

    888starz https://aclknights.com/

    Reply ↓
  46. Narkologicheskaya pomosh_qymn

    Всем здравствуйте. Отец снова ушёл в штопор. Мать рыдает. В диспансер тащить — позор на район. В общем, единственные, кто быстро отреагировал — наркологическая помощь недорого в Нижнем Новгороде. Врач осмотрел и поставил капельницу. В общем, цены и телефон тут — частная наркологическая помощь частная наркологическая помощь Каждый час усугубляет ситуацию. Вдруг это спасёт жизнь.

    Reply ↓

Leave a Reply

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