Niagara实现procedural浪花

7,745 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：

7,745 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  3. Derrickodorn

    Worth saying that the post fit naturally into a rhythm of careful reading, and a stop at ideaflowpath extended the same rhythm, content that pairs well with how I actually read rather than demanding a different mode is content well calibrated to its likely audience and this site has clearly thought about that consistently.

    Reply ↓
  4. Sandythive

    After reading several posts back to back the consistent voice across them is impressive, and a stop at directionalplanninglab continued that voice consistency, sites that maintain a single coherent voice across many pieces by potentially many writers represent serious editorial discipline and this one has clearly developed the institutional consistency needed for that.

    Reply ↓
  5. Vivod iz zapoya v stacionare_fpSr

    Люди помогите советом Соседний дед совсем умирает Родственники в полной панике Скорая помощи не оказывает Короче, единственное что помогло — вывод из запоя санкт-петербург стационар с палатой Выписали через 5 дней здоровым В общем, телефон и цены тут — выведение из запоя больница выведение из запоя больница Звоните прямо сейчас Это может спасти жизнь близкого

    Reply ↓
  8. Adrianelusa

    Stayed longer than planned because each section earned the next, and a look at growthvector kept that pulling effect going across more pages, the kind of subtle pull that good writing exerts on attention is something I find harder and harder to resist when I encounter it on the open web today.

    Reply ↓
  9. Vivod iz zapoya v stacionare_lgSr

    Люди помогите советом Брат в коме после алкоголя Родственники в полной панике Скорая помощи не оказывает Короче, единственное что помогло — вывод из запоя в стационаре с интенсивной терапией Капельницы и препараты по назначению В общем, не потеряйте контакты — лечение запоя в стационаре санкт петербург https://vyvod-iz-zapoya-v-staczionare-sankt-peterburg-wjf.ru Стационар — это реальный шанс Это может спасти жизнь близкого

    Reply ↓
  10. HenryBar

    Started reading without much expectation and ended on a high note, and a look at growthactivator continued that arc, content that builds rather than peaks early is a sign of a writer who knows how to structure a piece for sustained reader engagement rather than relying on a strong hook to do all the work.

    Reply ↓
  13. Vivod iz zapoya v stacionare_hbSr

    Слушайте кто сталкивался Отец не приходит в себя Родственники в полной панике Скорая помощи не оказывает Короче, спасла только госпитализация — быстрый вывод из запоя в стационаре за 5 дней Положили в палату с кондиционером В общем, вся инфа по ссылке — лечение запоя в стационаре лечение запоя в стационаре Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  15. AdrianBig

    A piece that demonstrated competence without performing it, and a look at focusdesign maintained the same self assured but unshowy register, the gap between competence and performance of competence is one I track and this site has clearly chosen to demonstrate rather than perform which I find much more persuasive as a reader.

    Reply ↓
  16. ZackMon

    A piece that did not require external context to follow, and a look at alliancecorebond maintained the same self contained quality, content that stands alone without forcing readers to chase prerequisites is more accessible and this site has clearly thought about how each piece can serve a fresh visitor rather than only existing members.

    Reply ↓
  17. Vivod iz zapoya v stacionare_feSr

    Питер, всем привет Отец не приходит в себя Соседи уже вызвали скорую В диспансер тащить — страшно Короче, спасла только госпитализация — вывод из запоя санкт-петербург стационар с палатой Капельницы и препараты по назначению В общем, не потеряйте контакты — вывод из запоя в стационаре клиника вывод из запоя в стационаре клиника Стационар — это реальный шанс Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  19. 888starz_ekEn

    Rasmiy sayt ravon dizayn va ellikdan ziyod til tanlovi bilan ajralib turadi.

    Sayt 888Games va TV o’yinlarini — Keno, Wheel, Bingo — alohida bo’limda taqdim etadi.

    Real vaqt rejimi yuqori koeffitsiyent va tezkor yangilanish bilan ishlaydi.

    Sportga tikuvchilarga 100% xush kelibsiz bonus 100 evrogacha ochiladi.

    To’lovlar bank kartalari, Skrill, AstroPay va 50 dan ortiq kriptovalyuta orqali qabul qilinadi.

    888syarz https://888starz-uzb7.com/

    Reply ↓
  23. Isaiahbrult

    Just dropping by to say thanks for the effort, it does not go unnoticed when a writer cares this much about the reader, and after I went through focusnavigator I was certain this is one of the better corners of the internet for this particular kind of content which is genuinely refreshing.

    Reply ↓
  25. MathewMib

    Reading this in a quiet coffee shop matched the calm energy of the writing, and a stop at actionmomentum extended that environmental match, content that has its own ambient quality which can match or clash with surroundings is content with a personality and this site has the kind of personality that suits calm reading.

    Reply ↓
  26. Vivod iz zapoya v stacionare_hppn

    Люди подскажите Отец не выходит из комы Родственники в шоке Скорая не приезжает на такие вызовы Короче, единственное что сработало — наркология вывод из запоя в стационаре с психологом Провели полное очищение организма В общем, жмите чтобы сохранить — вывод из запоя в стационаре в санкт-петербурге https://vyvod-iz-zapoya-v-staczionare-sankt-peterburg-nhy.ru Стационар — единственное решение Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  27. 888starz_hnoa

    888starz ellikdan ziyod tilda ishlaydi va sodda o’zbekcha menyu bilan har qanday foydalanuvchiga mos keladi.

    Kazino bo’limida yetakchi provayderlardan 4000 dan ortiq slot to’plangan.

    Sayt yirik xalqaro turnirlardan mahalliy musobaqalargacha keng tikish liniyalarini taklif etadi.

    Yangi foydalanuvchini kazinoda 1500€ gacha bonus va 150 bepul spin kutadi.

    888starz sutkalik jonli yordamni taqdim etadi hamda Android APK va iOS ilovalarini taklif etadi.

    скачать 888starz на андроид скачать 888starz на андроид

    Reply ↓
  28. 888starz_liEi

    888starz o’zbek foydalanuvchisiga minglab o’yin va o’nlab sport turini bitta hisobdan taqdim etadi.
    888 kasino 888 kasino
    Jonli bo’limda haqiqiy dilerlar bilan 250+ ruletka va blekjek stoli mavjud.
    Real vaqt tikishi yuqori koeffitsiyent va tezkor yangilanish bilan ishlaydi.
    Haftalik keshbek va bonuslar foydalanuvchilar uchun uzluksiz taqdim etiladi.
    Texnik yordam kun bo’yi javob beradi, mobil ilovani rasmiy saytdan yuklab olsa bo’ladi.

    Reply ↓
  29. Vivod iz zapoya v stacionare_uyMr

    Питер, всем привет Муж просто потерял себя Родственники не знают что делать В диспансер тащить — страшно и стыдно Короче, врачи вытащили с того света — выведение из запоя в стационаре полный курс Капельницы и препараты подбирали индивидуально В общем, не потеряйте контакты — вывод из запоя в стационаре наркологии вывод из запоя в стационаре наркологии Звоните прямо сейчас Это может спасти чью-то семью

    Reply ↓
  33. Jeffreybob

    A piece that did not try to be timeless and ended up reading as durable anyway, and a look at intentionalmomentum extended that durable feel, content that stays useful past its publication date without straining for permanence is content that ages well and this site has the kind of evergreen quality that I value highly today.

    Reply ↓
  34. Vivod iz zapoya v stacionare_ecMr

    Слушайте кто сталкивался Отец не выходит из штопора Родственники не знают что делать Платная клиника — бешеные деньги Короче, единственные кто взялся за сложный случай — вывод из запоя санкт-петербург стационар с палатой Выписали через 5 дней без ломки В общем, телефон и цены тут — нарколог вывод из запоя в стационаре https://vyvod-iz-zapoya-v-staczionare-sankt-peterburg-axm.ru Не надейтесь что само пройдёт Это может спасти чью-то семью

    Reply ↓
  35. 888starz_ouKi

    888starz o’zbek foydalanuvchilariga slot, jonli o’yin va bukmekerlikni bitta hisobda birlashtiradi.

    Sayt faqat 888starzga xos 888Games seriyasini darhol natija bilan taklif etadi.

    Foydalanuvchilar yirik xalqaro turnirlar va mahalliy chempionatlarga tikishlari mumkin.

    Sportga tikuvchilarga 100% xush kelibsiz bonus 100 evroga qadar ochiladi.

    Hisob ochish telefon yoki email orqali bir necha daqiqada amalga oshadi.

    888starz ios 888starz ios

    Reply ↓
  37. Lowellsoord

    Quietly enjoying that I have found a new site to follow for the topic, and a look at forwardmovementlab reinforced the small pleasure of the find, the discovery of new high quality sources is one of the more durable pleasures of careful internet reading and this site has been generating that discovery pleasure at multiple points already today.

    Reply ↓
  38. Vivod iz zapoya v stacionare_utel

    Всем привет из северной столицы Мой брат уже две недели в запое Мать плачет В диспансер тащить — стыд и страх Короче, единственное что сработало — вывод из запоя стационар с круглосуточным наблюдением Положили в отдельную палату В общем, жмите чтобы сохранить — вывод из запоя в наркологическом стационаре вывод из запоя в наркологическом стационаре Стационар — единственное решение Это может спасти жизнь близкого

    Reply ↓
  39. Vivod iz zapoya v stacionare_khel

    Доброго времени, земляки Отец не встаёт с кровати Соседи уже звонят в полицию В диспансер тащить — стыд и страх Короче, спасла только госпитализация — выведение из запоя в стационаре под контролем врачей Положили в отдельную палату В общем, жмите чтобы сохранить — вывод из запоя в стационаре в санкт-петербурге вывод из запоя в стационаре в санкт-петербурге Не надейтесь на чудо Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  40. 888starz_xhkl

    888starz official website 888starz official website
    888starz O’zbekistondagi foydalanuvchilar uchun kazino o’yinlari va sport tikishlarini bitta rasmiy manzilda taqdim etadi.

    Eksklyuziv 888Games seriyasida Crash, Dice, Plinko va Lottery kabi tezkor o’yinlar mavjud.

    Jonli tikishda koeffitsiyentlar o’yin davomida real vaqtda o’zgarib turadi.

    888starz kazino xush kelibsiz bonusini 1500 evrogacha va 150 FS bilan taqdim etadi.

    888starz sutkalik jonli yordamni hamda Android APK va iOS ilovalarini taqdim etadi.

    Reply ↓
  41. 888starz_srEn

    Interfeys 50 dan ortiq tilda, jumladan o’zbek va rus tillarida taqdim etiladi.

    Crash, karta o’yinlari va TV formatlari foydalanuvchi uchun doimo mavjud.

    888starz eng muhim o’yinlarni kuchli koeffitsiyentlar bilan qamrab oladi.

    Sportga tikuvchilarga 100% xush kelibsiz bonus 100 evrogacha ochiladi.

    Minimal depozit past bo’lib, hisob ochish bir necha daqiqada amalga oshadi.

    888starz ios https://888starz-uzb7.com/apk/

    Reply ↓
  43. Vivod iz zapoya v stacionare_uqpn

    Всем привет из Питера Жесть полная Соседи уже вызвали полицию Скорая не приезжает на такие вызовы Короче, спасла только госпитализация — лечение запоя в стационаре комплексно Положили в палату В общем, телефон и цены тут — вывод из запоя стационар санкт петербург https://vyvod-iz-zapoya-v-staczionare-sankt-peterburg-nhy.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  44. 888starz_ifEn

    Platforma Bittech B.V. tomonidan Curacao litsenziyasi asosida boshqariladi va o’yin adolatliligini kafolatlaydi.

    Jonli kazinoda real dilerli poker, bakara, blekjek va ruletka stollari kechayu kunduz ishlaydi.

    888starz eng muhim o’yinlarni kuchli koeffitsiyentlar bilan qamrab oladi.

    888starz kazino xush kelibsiz paketini 1500 evrogacha va 150 FS bilan taqdim etadi.

    Minimal depozit past bo’lib, hisob ochish bir necha daqiqada amalga oshadi.

    888starz казино https://888starz-uzb7.com/

    Reply ↓
  45. Vivod iz zapoya v stacionare_biMr

    Друзья ситуация Близкий человек уже неделю в запое Соседи стучат в стену Скорая не приедет на такой вызов Короче, единственные кто взялся за сложный случай — вывод из запоя стационарно с капельницами Положили в комфортную палату В общем, не потеряйте контакты — вывод из запоя в наркологическом стационаре вывод из запоя в наркологическом стационаре Звоните прямо сейчас Это может спасти чью-то семью

    Reply ↓
  47. Vivod iz zapoya v stacionare_isMr

    Друзья ситуация Близкий человек уже неделю в запое Соседи стучат в стену Платная клиника — бешеные деньги Короче, врачи вытащили с того света — быстрый вывод из запоя в стационаре за 3 дня Выписали через 5 дней без ломки В общем, жмите чтобы сохранить — вывести из запоя в стационаре https://vyvod-iz-zapoya-v-staczionare-sankt-peterburg-axm.ru Стационар — это реальный шанс Это может спасти чью-то семью

    Reply ↓
  48. Vivod iz zapoya v stacionare_vzMr

    Питер, всем привет Беда пришла в семью Жена в истерике В диспансер тащить — страшно и стыдно Короче, единственные кто взялся за сложный случай — наркология вывод из запоя в стационаре под наблюдением Врачи наблюдали круглосуточно В общем, телефон и цены тут — выход из запоя в стационаре https://vyvod-iz-zapoya-v-staczionare-sankt-peterburg-axm.ru Не надейтесь что само пройдёт Перешлите тем кто в отчаянии

    Reply ↓
  49. Vivod iz zapoya v stacionare_yeMr

    Питер, всем привет Близкий человек уже неделю в запое Родственники не знают что делать В диспансер тащить — страшно и стыдно Короче, единственные кто взялся за сложный случай — вывод из запоя санкт-петербург стационар с палатой Положили в комфортную палату В общем, жмите чтобы сохранить — вывод из запоя в клинике спб https://vyvod-iz-zapoya-v-staczionare-sankt-peterburg-axm.ru Звоните прямо сейчас Это может спасти чью-то семью

    Reply ↓
  50. 888starz_zxEn

    888starz Curacao rasmiy litsenziyasiga tayanadi, bu foydalanuvchi mablag’lari va ma’lumotlari himoyasini ta’minlaydi.

    Kazino katalogi eng yirik provayderlardan to’rt mingdan ortiq slotni o’z ichiga oladi.

    Sayt xalqaro va mahalliy musobaqalar bo’yicha keng tikish liniyalarini taklif etadi.

    Haftalik keshbek va bonuslar foydalanuvchilar uchun uzluksiz taqdim etiladi.

    Minimal depozit past bo’lib, hisob ochish bir necha daqiqada amalga oshadi.

    888starz online login https://888starz-uzb7.com/

    Reply ↓

Leave a Reply

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