Niagara实现procedural浪花

11,455 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：

11,455 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  1. mostbet free spins_vdEl

    To jedna z najpopularniejszych promocji, ponieważ pozwala poznać sloty bez własnego wkładu.

    Podczas rejestracji warto wpisać kod promocyjny, aby otrzymać maksymalną liczbę darmowych spinów.

    Darmowe obroty są przypisane do konkretnych slotów objętych promocją.

    Stali gracze mogą otrzymywać free spiny w ramach regularnych akcji i turniejów.

    Zaleca się dokładne przeczytanie warunków bonusu, aby uniknąć nieporozumień.

    mostbet 100 free spins bez depozytu mostbet 100 free spins bez depozytu

    Reply ↓
  4. Narkologicheskii stacionar_kxSl

    Люди помогите советом Отец не встаёт с кровати Родные просто в шоке Платная наркология — бешеные счета Короче, врачи стационара реально помогли — наркологический стационар с полным обследованием Врачи и медсёстры круглосуточно В общем, не потеряйте контакты — наркологические услуги в стационаре наркологические услуги в стационаре Не надейтесь на чудо Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  5. Narkologicheskii stacionar_jeSl

    Люди помогите советом Соседний мужик совсем спился Родные просто в шоке Платная наркология — бешеные счета Короче, врачи стационара реально помогли — наркологическая больница стационар с капельницами Выписали через 4 дня здоровым В общем, жмите чтобы сохранить — госпитализация в наркологический стационар госпитализация в наркологический стационар Не надейтесь на чудо Это может спасти жизнь близкого

    Reply ↓
  6. Narkologicheskii stacionar_ajSl

    Москва, всем привет Близкий человек просто умирает на глазах Дети боятся даже подходить Платная наркология — бешеные счета Короче, врачи стационара реально помогли — наркологическая клиника стационар с круглосуточным наблюдением Сделали кодировку на год В общем, телефон и цены тут — наркологическая клиника стационар наркологическая клиника стационар Не надейтесь на чудо Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  8. mostbet free spins_mlEl

    W Mostbet darmowe spiny stanowią popularny bonus, dzięki któremu można grać na automatach za darmo.

    Darmowe spiny aktywują się zwykle po pierwszej wpłacie spełniającej minimalny próg.

    Wygrane z darmowych spinów podlegają wymaganiom obrotu, które trzeba spełnić przed wypłatą.

    Cykliczne doładowania konta również mogą nagradzać gracza dodatkowymi spinami.

    Free spiny działają płynnie na urządzeniach mobilnych dzięki zoptymalizowanej aplikacji.

    mostbet 100 free spins mostbet 100 free spins

    Reply ↓
  11. mostbet free spins_zwEl

    Darmowe spiny w Mostbet to obroty na automatach, które gracz otrzymuje bez konieczności wykorzystywania własnych środków.

    Wpisanie kodu promocyjnego przy zakładaniu konta zwiększa pulę free spinów w pakiecie.

    Środki uzyskane z free spinów należy obrócić zgodnie z warunkiem zakładu podanym w regulaminie.

    Aktywni użytkownicy z Polski otrzymują spiny za kolejne depozyty i udział w promocjach.

    Z darmowych spinów można korzystać zarówno na komputerze, jak i w aplikacji mobilnej Mostbet.

    mostbet casino 30 free spins mostbet casino 30 free spins

    Reply ↓
  12. Narkologicheskii stacionar_appi

    Слушайте кто сталкивался Беда пришла в семью Родственники не знают что делать Платная клиника — бешеные деньги Короче, только стационар реально помог — наркологические услуги в стационаре полный комплекс Провели полную детоксикацию В общем, жмите чтобы сохранить — стоимость лечения в наркологической клинике москва https://narkologicheskij-staczionar-moskva-gsh.ru Не надейтесь что само пройдёт Перешлите тем кто в отчаянии

    Reply ↓
  13. Kapelnica ot pohmelya_bnEt

    Доброго дня, земляки Голова раскалывается Рассол уже не лезет Короче, врачи приехали и поставили систему — капельница после похмелья с витаминами Через час состояние нормализовалось В общем, вся инфа по ссылке — поставить капельницу от алкоголизма https://kapelnicza-ot-pokhmelya-samara-lmr.ru Капельница — это быстро и эффективно Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  15. Knoxiromi

    Appreciated how the post felt complete without overstaying its welcome, and a stop at ampleclam confirmed that economical approach runs across the site, knowing when to stop is a skill many writers never develop but here the discipline is obvious and welcome from the perspective of a busy reader trying to learn things efficiently.

    Reply ↓
  16. Deancix

    Worth marking the moment when reading this clicked into something useful for my own work, and a look at byrdbush extended that practical click, content that connects to my actual life rather than just being interesting is content with the highest kind of value and this site is generating that connection at a high rate.

    Reply ↓
  17. mostbet free spins_uwEl

    Pakiet powitalny Mostbet łączy bonus od depozytu z zestawem darmowych spinów dla nowych graczy.

    Pierwszym krokiem jest rejestracja konta oraz weryfikacja profilu gracza.

    Free spiny wygasają po określonym okresie, więc nie należy zwlekać z ich użyciem.

    Stali gracze mogą otrzymywać free spiny w ramach regularnych akcji i turniejów.

    Z darmowych spinów można korzystać zarówno na komputerze, jak i w aplikacji mobilnej Mostbet.

    mostbet promo code free spin mostbet promo code free spin

    Reply ↓
  18. EnzoKeype

    Reading this slowly to absorb the structure, and the structure is doing real work alongside the words, and a look at ardenbrisk maintained the same architectural quality, when sentence shapes and paragraph rhythms reinforce the meaning rather than just transporting words you know you are reading skilled work today.

    Reply ↓
  19. DestinElupt

    Looking through other posts here the consistency is what makes the site valuable rather than any single piece, and a stop at pillowmanor extended that consistency observation, sites whose value lies in the ongoing pattern rather than in standout posts are sites I trust more deeply and this one has clearly built that kind of trust.

    Reply ↓
  20. WendellKep

    Once you start reading carefully here it is hard to go back to lower quality alternatives, and a stop at modrivo reinforced that ratchet effect, the way good content raises standards is real over time and this site has clearly contributed to raising my expectations for what is possible in writing on the topic generally.

    Reply ↓
  21. Everettesods

    Glad to have another reliable bookmark for this topic, and a look at masonotter suggested several more pages I will be marking too, building a personal library of trustworthy resources is one of the actual rewards of careful browsing and this site is earning a place on my permanent shortlist for the topic.

    Reply ↓
  22. Narkologicheskii stacionar_nvSl

    Люди помогите советом Близкий человек просто умирает на глазах Соседи уже звонят в полицию В диспансер тащить — стыд и страх Короче, единственное что сработало — госпитализация в наркологический стационар 24/7 Выписали через 4 дня здоровым В общем, вся инфа по ссылке — лечение наркомании стационар https://narkologicheskij-staczionar-moskva-cde.ru Не надейтесь на чудо Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  23. Narkologicheskii stacionar_zmSl

    Москва, всем привет Мой брат уже две недели в запое Мать плачет Платная наркология — бешеные счета Короче, врачи стационара реально помогли — наркологическая больница стационар с капельницами Положили в отдельную палату В общем, вся инфа по ссылке — наркологические стационары в москве https://narkologicheskij-staczionar-moskva-cde.ru Не надейтесь на чудо Это может спасти жизнь близкого

    Reply ↓
  25. Narkologicheskii stacionar_bpSl

    Здорова, народ Соседний мужик совсем спился Мать плачет В диспансер тащить — стыд и страх Короче, врачи стационара реально помогли — платный наркологический стационар с палатами Сделали кодировку на год В общем, жмите чтобы сохранить — наркологические стационары в москве https://narkologicheskij-staczionar-moskva-cde.ru Стационар — единственное решение Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  26. HoraceGenry

    Worth pointing out the careful word choice in this post, no buzzwords and no jargon, and a look at valzino continued that disciplined vocabulary, sites that resist the pull of trendy language are sites that will read well in five years and this one is clearly built for that kind of long durability.

    Reply ↓
  27. Narkologicheskii stacionar_vtSl

    Люди помогите советом Близкий человек просто умирает на глазах Мать плачет Скорая отказывается выезжать Короче, спасла только госпитализация — наркологический стационар с полным обследованием Сделали кодировку на год В общем, вся инфа по ссылке — стоимость лечения в наркологической клинике москва https://narkologicheskij-staczionar-moskva-cde.ru Стационар — единственное решение Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  29. Kapelnica ot pohmelya_ikEt

    Привет из Самары Голова раскалывается Поилки и таблетки не помогают Короче, единственное что реально спасает — капельница от похмелья быстрый результат Приехали через 30 минут В общем, телефон и цены тут — сколько стоит капельницы на дому https://kapelnicza-ot-pokhmelya-samara-lmr.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  30. ElliotCaw

    Most of my reading time goes to a small number of trusted sources and this one is now joining that group, and a stop at nudgelynx reinforced the group membership, the few sites that earn a place in my regular rotation are sites I expect ongoing returns from and this one has earned that elevated position consistently.

    Reply ↓
  32. Alfonsorot

    Now considering whether the post would translate well into a different form, and a look at lullneon suggested similar versatility, content that could move into other media without losing its substance is content that has been built around ideas rather than around format and this site reads as idea first throughout posts.

    Reply ↓
  35. KonnorBox

    Now sitting back and recognising that this was a small but real win in my reading day, and a stop at nickelpearl extended that quiet win, the cumulative effect of small reading wins versus the cumulative effect of small reading losses is real over time and this site is contributing to the wins side of that ledger.

    Reply ↓
  36. Narkologicheskii stacionar_wnpi

    Москва, всем привет Брат снова сорвался в пьянку Дети напуганы до смерти В диспансер тащить — страшно и стыдно Короче, единственные кто взялся за сложный случай — наркологический стационар с круглосуточным наблюдением Провели полную детоксикацию В общем, жмите чтобы сохранить — лечение алкоголизма стационар цены https://narkologicheskij-staczionar-moskva-gsh.ru Звоните прямо сейчас Это может спасти чью-то семью

    Reply ↓
  37. Narkologicheskii stacionar_bfel

    Всем привет из Москвы Брат потерял человеческий облик Родственники в полном отчаянии Скорая не приедет на такой вызов Короче, врачи стационара реально вытащили — наркологический стационар с интенсивной терапией Капельницы и уколы по схеме В общем, вся инфа по ссылке — наркологический стационар москва https://narkologicheskij-staczionar-moskva-bny.ru Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в беде

    Reply ↓
  38. Avifeeft

    Great work on keeping things readable, the post never drags or repeats itself which I really appreciate, and a stop at cartvilo added a bit more context that fit naturally with what was already said here, no need to read everything twice to get the point being made today.

    Reply ↓
  39. Narkologicheskii stacionar_deSl

    Люди помогите советом Ситуация критическая Дети боятся даже подходить Платная наркология — бешеные счета Короче, единственное что сработало — наркологический стационар цена доступная Сделали кодировку на год В общем, вся инфа по ссылке — наркологическая клиника стационар наркологическая клиника стационар Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  44. BryanCINEE

    Came away with a small but real shift in perspective on the topic, and a stop at chordaria pushed that shift a bit further, the kind of subtle reframing that good writing does to a reader without making a big deal of it is something I always appreciate when it happens which is sadly not that often.

    Reply ↓
  45. Narkologicheskii stacionar_lwel

    Люди подскажите Брат потерял человеческий облик Дети боятся заходить в комнату Скорая не приедет на такой вызов Короче, единственные кто взялся за безнадёжный случай — госпитализация в наркологический стационар 24/7 Выписали через неделю здоровым В общем, не потеряйте контакты — платный наркологический стационар платный наркологический стационар Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в беде

    Reply ↓
  48. Narkologicheskii stacionar_omSl

    Люди помогите советом Отец не встаёт с кровати Дети боятся даже подходить Скорая отказывается выезжать Короче, единственное что сработало — наркологический стационар цена доступная Капельницы и уколы по расписанию В общем, вся инфа по ссылке — лечение наркомании стационар https://narkologicheskij-staczionar-moskva-cde.ru Не надейтесь на чудо Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  49. Narkologicheskii stacionar_bvSl

    Слушайте кто сталкивался Отец не встаёт с кровати Соседи уже звонят в полицию В диспансер тащить — стыд и страх Короче, спасла только госпитализация — наркологический стационар цена доступная Врачи и медсёстры круглосуточно В общем, вся инфа по ссылке — сколько стоит прокапаться от алкоголя в стационаре https://narkologicheskij-staczionar-moskva-cde.ru Стационар — единственное решение Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  50. Narkologicheskii stacionar_wypi

    Здорова, народ Отец не выходит из штопора Родственники не знают что делать Платная клиника — бешеные деньги Короче, единственные кто взялся за сложный случай — наркологический стационар цена доступная Врачи наблюдали 24/7 В общем, не потеряйте контакты — лечение в наркологическом стационаре лечение в наркологическом стационаре Не надейтесь что само пройдёт Это может спасти чью-то семью

    Reply ↓

Leave a Reply

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