Niagara实现procedural浪花

11,354 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：

11,354 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  4. DonovanSwilm

    Sets a higher bar than most of what shows up in search results for this topic, and a look at cipherbow did not lower that bar at all, in fact it confirmed the impression, this is the kind of consistency that earns a place in regular rotation for serious readers instead of casual scrollers passing through.

    Reply ↓
  7. Kapelnica ot zapoya_qjpn

    Люди подскажите Отец не встаёт с дивана Соседи стучат в стену Нужна профессиональная помощь на дому Короче, спасла только капельница — прокапаться от алкоголя цены приемлемые Сняли ломку и стабилизировали состояние В общем, вся инфа по ссылке — капельница при похмелье капельница при похмелье Капельница — это реальный выход Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  8. LedgerDop

    Will be back, that is the simplest way to say it, and a quick visit to cartmixo reinforced the decision, this site has earned a spot in my regular rotation alongside a few other reliable places I check when I want something genuinely informative without all the usual modern web noise getting in the way.

    Reply ↓
  10. Connerfal

    Adding this site to my regular reading list, the post earned that on its own, and a quick stop at palettemauve sealed the decision, the kind of place worth checking back with from time to time because it consistently produces material that holds up against a critical reading too which I really value.

    Reply ↓
  14. Kapelnica ot zapoya_cypn

    Слушайте кто знает Муж пьёт без остановки Жена плачет Таблетки не помогают Короче, спасла только капельница — капельница от запоя на дому срочно Сняли ломку и стабилизировали состояние В общем, не потеряйте контакты — капельница после похмелья капельница после похмелья Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  15. Fletcherhog

    Once I had read three posts the editorial pattern was clear, and a look at upperspruce confirmed the pattern from a fourth angle, sites where the underlying approach reveals itself through accumulated reading rather than being announced are sites with real depth and this one has that quality clearly visible across multiple pieces consistently.

    Reply ↓
  16. GrantLoyat

    Now considering writing a longer note about the post somewhere, and a look at pippierce added more material for that note, content that prompts me to write rather than just consume is content with generative energy and this site is producing that generative effect for me at a higher rate than most sources.

    Reply ↓
  17. Kapelnica ot zapoya_paMl

    Здорова, народ Ситуация критическая Родственники не знают что делать В больницу тащить страшно Короче, только капельница реально спасла — капельница от запоя на дому срочно Сняли ломку и стабилизировали состояние В общем, жмите чтобы сохранить — капельница от запоя капельница от запоя Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  18. Kapelnica ot zapoya_blMl

    Здорова, народ Муж просто потерял себя Соседи стучат в стену Нужна срочная помощь на дому Короче, единственное что вытащило из запоя — капельница от запоя с витаминами и препаратами Сняли ломку и стабилизировали состояние В общем, не потеряйте контакты — прокапаться на дому воронеж https://kapelnicza-ot-zapoya-voronezh-bqi.ru Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  19. Kapelnica ot zapoya_npMl

    Здорова, народ Ситуация критическая Дети напуганы Таблетки не помогают Короче, врачи приехали и поставили систему — прокапаться от алкоголя цены приемлемые Приехали через 40 минут В общем, телефон и цены тут — поставить капельницу от запоя на дому https://kapelnicza-ot-zapoya-voronezh-bqi.ru Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  22. RoyReida

    Held my interest from the opening line through to the closing thought, and a stop at xinvexa did the same, content that earns sustained attention in an environment full of distractions is doing something right and this site is clearly doing several things right rather than just one or two which I really appreciate.

    Reply ↓
  23. DonAbize

    Really liked the calm tone running through the post, no shouting and no urgency forced into the writing, and a look at torqavi kept that quiet confidence going, the kind of voice that makes the reader feel respected rather than yelled at which is depressingly common across most modern blog content these days.

    Reply ↓
  24. Vladimirslevy

    A piece that took its time without dragging, and a look at qorlino kept the same patient pace, the difference between unhurried and slow is a fine editorial distinction and this site has clearly found the unhurried side without slipping into the slow side which would have lost me as a reader quickly otherwise.

    Reply ↓
  25. Trentonsaw

    Reading this confirmed that my time researching the topic in other places had not been wasted, and a stop at xarmizo extended the confirmation, when independent sources agree that is a useful signal and this site is one of the more reliable sources I have found for cross checking what I read elsewhere on similar subjects.

    Reply ↓
  26. KobeTap

    Worth recognising that the post did not pretend to be the final word on the topic, and a stop at zorvilo continued that humility, content that admits its own scope and limits is more trustworthy than content that overreaches and this site has clearly developed the editorial maturity to know what it can and cannot claim well.

    Reply ↓
  27. Lawrencecef

    Learned something from this without having to dig through layers of fluff, and a stop at molvani added a bit more context that helped tie things together for me, definitely a useful corner of the internet for anyone who wants real information without the usual marketing nonsense around it that often ruins similar pages.

    Reply ↓
  28. Kapelnica ot zapoya_vnMl

    Люди помогите советом Брат снова сорвался Родственники не знают что делать Таблетки не помогают Короче, единственное что вытащило из запоя — капельница от запоя на дому срочно Сняли ломку и стабилизировали состояние В общем, не потеряйте контакты — капельница от запоя капельница от запоя Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  29. Kapelnica ot zapoya_oaMl

    Слушайте кто сталкивался Отец не выходит из штопора Соседи стучат в стену Нужна срочная помощь на дому Короче, только капельница реально спасла — капельница от запоя на дому срочно Поставили капельницу с детоксикационным раствором В общем, вся инфа по ссылке — прокапаться на дому воронеж https://kapelnicza-ot-zapoya-voronezh-bqi.ru Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  30. Kapelnica ot zapoya_tfMl

    Воронеж, всем привет Ситуация критическая Дети напуганы Нужна срочная помощь на дому Короче, врачи приехали и поставили систему — капельница от запоя с витаминами и препаратами Поставили капельницу с детоксикационным раствором В общем, не потеряйте контакты — капельница на дому цена https://kapelnicza-ot-zapoya-voronezh-bqi.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  31. Kapelnica ot zapoya_geMl

    Воронеж, всем привет Отец не выходит из штопора Жена в истерике Таблетки не помогают Короче, врачи приехали и поставили систему — прокапаться от алкоголя цены приемлемые Сняли ломку и стабилизировали состояние В общем, жмите чтобы сохранить — капельница от запоя вызов капельница от запоя вызов Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  32. Kapelnica ot zapoya_mjMl

    Слушайте кто сталкивался Брат снова сорвался Жена в истерике Таблетки не помогают Короче, единственное что вытащило из запоя — капельница от запоя цена доступная Приехали через 40 минут В общем, телефон и цены тут — капельница при похмелье https://kapelnicza-ot-zapoya-voronezh-bqi.ru Капельница — это реальный выход Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  33. Kapelnica ot zapoya_mapn

    Воронеж, всем привет Брат совсем потерял контроль Родственники не знают как помочь Скорая не приедет Короче, спасла только капельница — вызвать капельницу от запоя на дому быстро Поставили капельницу с детоксикационным раствором В общем, жмите чтобы сохранить — прокапаться на дому прокапаться на дому Капельница — это реальный выход Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  35. Owenflarf

    A satisfying piece in the way that good meals are satisfying rather than just filling, and a look at luzqiro extended that satisfaction, the metaphor between content and meals is one I find useful and this site reads as a satisfying meal rather than the empty calories that most content provides for casual readers.

    Reply ↓
  36. CadenGuche

    Found this useful, the points line up well with what I have been thinking about lately, and a stop at mastlarch added some angles I had not considered yet, definitely walking away with more than I came for which is the best outcome from time spent reading online for any kind of topic.

    Reply ↓
  38. Davidglids

    Bookmarking this for later, the kind of resource I want to keep nearby, and a quick look at cabinbull confirmed the rest of the site is worth the same treatment, definitely going into my reference folder for the next time the topic comes up at work or in conversation with someone who asks.

    Reply ↓
  39. Milodrile

    Thanks for putting this online without locking it behind email signups or paywalls, and a quick visit to hekfox kept that open feel going, content that trusts the reader to come back rather than gating access is the kind of approach I will reward with regular return visits over time happily.

    Reply ↓
  40. Kapelnica ot zapoya_gzpn

    Слушайте кто знает Близкий человек уже неделю в запое Дети боятся Таблетки не помогают Короче, единственное что вытащило из запоя — капельница от запоя на дому срочно Через пару часов человек пришёл в себя В общем, не потеряйте контакты — капельница от запоя стоимость https://kapelnicza-ot-zapoya-voronezh-znf.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  41. Bryantor

    My reading list is short and selective and this site is now on it, and a stop at astrobrunch confirmed the placement, the short list of sites I read deliberately rather than encounter accidentally is something I curate carefully and adding to it is a real act of trust which this site has earned today.

    Reply ↓
  42. TobyTip

    Liked that the post landed without needing to manufacture controversy or take a contrarian stance for attention, and a stop at zulvexa continued that grounded approach, content that earns attention through quality rather than provocation is the kind that builds long term trust rather than burning it on quick wins.

    Reply ↓
  43. Kapelnica ot zapoya_vxMl

    Воронеж, всем привет Брат снова сорвался Родственники не знают что делать В больницу тащить страшно Короче, только капельница реально спасла — вызвать капельницу от запоя на дому быстро Приехали через 40 минут В общем, вся инфа по ссылке — капельница от похмелья анонимно https://kapelnicza-ot-zapoya-voronezh-bqi.ru Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  44. GermanFat

    After reading several posts back to back the consistent voice across them is impressive, and a stop at bauxable 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 ↓
  45. TimAdors

    Genuinely changed how I think about a small piece of the topic, which does not happen often online, and a look at pebbleoboe added another nudge in the same direction, the kind of writing that earns a small mental shift rather than just confirming what you already thought before reading is a sign of careful thought.

    Reply ↓
  46. RicoTot

    The whole experience of reading this was pleasant from start to finish, no pop ups and no annoying interruptions, and a look at octanepinto continued that clean experience, technical choices about page design matter for the reader and this site clearly cares about the small details that add up to comfort across multiple visits.

    Reply ↓
  47. Rolandhom

    Saving the link for sure, this one is a keeper, and a look at minimparch confirmed I should bookmark the entire site rather than just this page, the consistency across what I have seen so far suggests there is a lot more here worth coming back for soon when I have more time.

    Reply ↓
  48. GermanWat

    Good quality through and through, no rough edges and no signs of being rushed, and a quick look at ideastomotion kept the same polish going, the kind of site that respects its own brand by maintaining consistency across pages which is something I always appreciate as a reader looking for trustworthy information online today.

    Reply ↓
  49. Kapelnica ot zapoya_gbMl

    Воронеж, всем привет Муж просто потерял себя Жена в истерике Нужна срочная помощь на дому Короче, врачи приехали и поставили систему — капельница от запоя цена доступная Приехали через 40 минут В общем, не потеряйте контакты — прокапаться от алкоголя воронеж цена https://kapelnicza-ot-zapoya-voronezh-bqi.ru Капельница — это реальный выход Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓

Leave a Reply

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