Niagara实现procedural浪花

11,438 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：

11,438 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  2. NicholasBes

    If the topic interests you at all this is a place to spend time, and a look at buymixo reinforced that recommendation, the broader question of where to invest topical reading time is one this site answers convincingly through the consistent quality across multiple pieces I have sampled during the current reading session today.

    Reply ↓
  3. Rolandtonge

    Excellent execution from start to finish, the post never loses its rhythm and the points stay sharp, and a quick stop at directionalsystems kept the same level going, consistency like this across a site is the marker of a serious operation rather than a casual side project running on autopilot somewhere else.

    Reply ↓
  4. Claytonnob

    Now leaving a small mental note to recommend this when the topic comes up in conversation, and a look at byrdbrig extended that recommend ready feeling, content that arms me with shareable references for likely future conversations is content with social value and this site is providing that conversational ammunition consistently for me lately.

    Reply ↓
  5. ArthurNig

    Solid information that lines up with what I have been hearing from other reliable sources, and after my visit to shopvato I was even more certain of that, this site checks out which is something I value highly when so many places online play loose with the facts to chase a quick click.

    Reply ↓
  6. Narkologicheskii stacionar_yhpr

    Здорова, народ Брат потерял человеческий облик Соседи уже вызвали участкового В диспансер тащить — последнее дело Короче, врачи стационара реально вытащили — наркологический стационар цена адекватная Выписали через неделю здоровым В общем, не потеряйте контакты — наркологический стационар москва https://narkologicheskij-staczionar-moskva-jmw.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в беде

    Reply ↓
  7. Narkologicheskii stacionar_gdpr

    Москва, всем привет Близкий человек уже 10 дней в запое Родственники в полном отчаянии В диспансер тащить — последнее дело Короче, спасла только госпитализация — наркологический стационар цена адекватная Выписали через неделю здоровым В общем, не потеряйте контакты — платный наркологический стационар платный наркологический стационар Не ждите пока станет хуже Это может спасти жизнь

    Reply ↓
  9. Sethmoosy

    Quietly building a case in my head for why this site deserves more attention than it currently seems to receive, and a look at strategyforward reinforced the case, the gap between quality and recognition is a recurring frustration in independent online content and this site is one of the cases that seems particularly egregious to me today.

    Reply ↓
  10. Narkologicheskii stacionar_mbel

    Люди подскажите Кошмар в семье Соседи уже вызвали участкового Платная клиника просит бешеные деньги Короче, врачи стационара реально вытащили — наркологическая больница стационар с капельницами Врачи и медсёстры 24/7 В общем, вся инфа по ссылке — наркологические стационары наркологические стационары Не ждите пока станет хуже Это может спасти жизнь

    Reply ↓
  11. Narkologicheskii stacionar_gqel

    Люди подскажите Отец не встаёт с кровати Родственники в полном отчаянии Скорая не приедет на такой вызов Короче, единственные кто взялся за безнадёжный случай — наркологическая больница стационар с капельницами Выписали через неделю здоровым В общем, телефон и цены тут — лечение наркомании стационар https://narkologicheskij-staczionar-moskva-bny.ru Не ждите пока станет хуже Это может спасти жизнь

    Reply ↓
  12. LucasWaw

    Well structured and easy to read, that combination is rarer than people think, and a stop at moveideasforwardnow confirmed the same standard runs across the rest of the site, definitely the kind of place I will be coming back to when this topic comes up in conversation later again over the weeks ahead.

    Reply ↓
  13. Narkologicheskii stacionar_fnel

    Слушайте кто знает Кошмар в семье Жена рыдает Платная клиника просит бешеные деньги Короче, единственные кто взялся за безнадёжный случай — госпитализация в наркологический стационар 24/7 Положили в палату В общем, жмите чтобы сохранить — наркология москва стационар https://narkologicheskij-staczionar-moskva-bny.ru Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в беде

    Reply ↓
  14. Narkologicheskii stacionar_gjel

    Всем привет из Москвы Кошмар в семье Родственники в полном отчаянии Скорая не приедет на такой вызов Короче, врачи стационара реально вытащили — лечение в наркологическом стационаре с психологом Врачи и медсёстры 24/7 В общем, не потеряйте контакты — стоимость лечения в наркологической клинике москва https://narkologicheskij-staczionar-moskva-bny.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в беде

    Reply ↓
  15. DamienRom

    Glad the writer did not feel compelled to cover every possible angle of the topic, focus is a virtue, and a stop at javcab reflected the same disciplined scope, knowing what to leave out is half of what makes good writing good and this post has clearly been edited with that principle in mind.

    Reply ↓
  16. JadonSmice

    Now realising the topic deserved better treatment than it has been getting elsewhere, and a look at momentumfollowsfocus extended that broader recognition, content that exposes the gap between actual quality and average quality elsewhere is doing the quiet work of raising standards and this site is contributing to that elevation in its own corner.

    Reply ↓
  17. ClintonAdeva

    Worth saying that the prose reads naturally without straining for style, and a stop at lovqaro maintained the same unforced quality, writing that achieves elegance without effort is the highest tier and this site has clearly worked out how to land that effortless quality consistently rather than only on the writers best days.

    Reply ↓
  18. GavinInhaK

    Looking at this objectively the editorial quality is hard to deny even setting aside personal taste, and a stop at focusnavigation maintained the same objective quality, the gap between what I personally enjoy and what is objectively well crafted exists and this site clears both bars simultaneously which is rarer than it sounds.

    Reply ↓
  24. SteveCaB

    If a friend asked me where to read carefully on the topic I would send them here without hesitation, and a look at amberflux confirmed the recommendation strength, the directness of my recommendation reflects how confident I am in the quality and this site has earned undiluted recommendations from me across multiple recent conversations actually.

    Reply ↓
  25. Judsoninarl

    Worth pointing out that the writer made the topic feel more interesting than I had been expecting, and a look at astrebeige continued that elevation effect, content that improves the apparent quality of its subject through skilled treatment is doing something real and this site has clearly developed that kind of editorial alchemy throughout.

    Reply ↓
  27. Narkologicheskii stacionar_goel

    Всем привет из Москвы Кошмар в семье Дети боятся заходить в комнату В диспансер тащить — последнее дело Короче, единственные кто взялся за безнадёжный случай — платный наркологический стационар с палатами Врачи и медсёстры 24/7 В общем, вся инфа по ссылке — наркологические центры москвы цены https://narkologicheskij-staczionar-moskva-bny.ru Не ждите пока станет хуже Это может спасти жизнь

    Reply ↓
  28. Narkologicheskii stacionar_expr

    Здорова, народ Отец не встаёт с кровати Жена рыдает Скорая не приедет на такой вызов Короче, врачи стационара реально вытащили — наркологический стационар цена адекватная Провели полную детоксикацию В общем, вся инфа по ссылке — наркологические стационары в москве https://narkologicheskij-staczionar-moskva-jmw.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в беде

    Reply ↓
  29. Narkologicheskii stacionar_rrpr

    Люди подскажите Муж просто умирает на глазах Родственники в полном отчаянии Платная клиника просит бешеные деньги Короче, единственные кто взялся за безнадёжный случай — госпитализация в наркологический стационар 24/7 Положили в палату В общем, вся инфа по ссылке — наркология москва стационар https://narkologicheskij-staczionar-moskva-jmw.ru Стационар — это единственный выход Это может спасти жизнь

    Reply ↓
  30. Narkologicheskii stacionar_pvpr

    Москва, всем привет Отец не встаёт с кровати Родственники в полном отчаянии Скорая не приедет на такой вызов Короче, единственные кто взялся за безнадёжный случай — наркологический стационар с интенсивной терапией Положили в палату В общем, жмите чтобы сохранить — наркологическая больница стационар наркологическая больница стационар Звоните прямо сейчас Это может спасти жизнь

    Reply ↓
  31. KalenJem

    Thanks for the practical examples scattered through the post rather than abstract theory only, and a look at promparsley continued that grounded style, abstract points are easier to remember when paired with concrete situations and the writers here clearly understand how readers actually retain information from blog content reading sessions.

    Reply ↓
  32. Narkologicheskii stacionar_dwpr

    Люди подскажите Кошмар в семье Дети боятся заходить в комнату В диспансер тащить — последнее дело Короче, единственные кто взялся за безнадёжный случай — наркологический стационар цена адекватная Врачи и медсёстры 24/7 В общем, вся инфа по ссылке — наркология москва стационар https://narkologicheskij-staczionar-moskva-jmw.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в беде

    Reply ↓
  37. BartholomewTex

    Now feeling something close to gratitude for the fact this site exists, and a look at modrova extended that gratitude, the rare site that produces this kind of response is the rare site worth defending in conversations about whether the modern internet is still capable of producing genuinely valuable independent content for serious adults.

    Reply ↓
  38. MiguelhIg

    Time spent here today felt productive in the way that good reading sessions sometimes do, and a stop at buildprogresswithintent extended that productive feeling across the rest of the morning, the difference between productive reading and merely passing time is real and this site is consistently on the productive side for me lately.

    Reply ↓
  39. AbrahamReiny

    Now planning to write about the topic myself eventually using this post as a reference, and a look at qinzavo would also serve in that future piece, content that becomes raw material for my own writing rather than just informing my reading is content with multiplicative value and this site is generating that multiplicative effect.

    Reply ↓
  42. Narkologicheskii stacionar_yuel

    Люди подскажите Близкий человек уже 10 дней в запое Родственники в полном отчаянии Платная клиника просит бешеные деньги Короче, спасла только госпитализация — наркологические услуги в стационаре полный комплекс Положили в палату В общем, не потеряйте контакты — наркологические услуги в стационаре наркологические услуги в стационаре Стационар — это единственный выход Перешлите тем кто в беде

    Reply ↓
  44. WestonBrogs

    Solid little post, the kind that does not need to be flashy because the substance is doing the work, and a look at minimmoss kept that quiet confidence going across the site, this is what writing looks like when the writer trusts the content to land on its own without theatrics or unnecessary attention seeking behaviour.

    Reply ↓
  45. Narkologicheskii stacionar_vopr

    Люди подскажите Близкий человек уже 10 дней в запое Соседи уже вызвали участкового В диспансер тащить — последнее дело Короче, спасла только госпитализация — лечение в наркологическом стационаре с психологом Врачи и медсёстры 24/7 В общем, жмите чтобы сохранить — наркологические центры москвы цены https://narkologicheskij-staczionar-moskva-jmw.ru Стационар — это единственный выход Это может спасти жизнь

    Reply ↓
  46. Gabrielbiz

    Most posts I read end up forgotten within a day but this one is sticking, and a look at velzaro extended that lingering effect, content that survives the immediate moment of reading rather than evaporating is content with genuine retention quality and this site has been producing memorable pieces at a rate notable across my reading.

    Reply ↓
  47. Narkologicheskii stacionar_zepr

    Люди подскажите Отец не встаёт с кровати Дети боятся заходить в комнату Платная клиника просит бешеные деньги Короче, единственные кто взялся за безнадёжный случай — наркологический стационар с интенсивной терапией Провели полную детоксикацию В общем, жмите чтобы сохранить — клиника наркологическая стационар москва https://narkologicheskij-staczionar-moskva-jmw.ru Не ждите пока станет хуже Это может спасти жизнь

    Reply ↓
  49. WillisTup

    Closed my email tab so I could read this without interruption, and a stop at noonlinnet earned the same protected attention, when content is good enough to defend against the usual digital distractions you know it deserves better than the half attention most online reading gets in a typical busy day.

    Reply ↓
  50. RayBob

    Decided after reading this that I would check this site weekly going forward, and a stop at mauvepeach reinforced that commitment, deciding to add a site to a regular rotation requires meeting a quality bar that very few places clear and this one cleared it cleanly without any noticeable effort or marketing push behind it.

    Reply ↓

Leave a Reply

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