Niagara实现procedural浪花

11,318 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：

11,318 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  5. Nicholasraf

    Now I want to find more sites like this but I suspect they are rare, and a look at odelatte extended that thought, the few sites that meet this quality bar are precious specifically because they are rare and finding others like them is one of the ongoing projects of careful internet curation across the years.

    Reply ↓
  7. GriffinWab

    Solid recommendation from me to anyone working in the area, the perspective here is grounded, and a look at calmbyrd adds even more useful angles, the kind of site that becomes a reference rather than just a one time read which is a higher bar than most blogs ever reach today on the modern web.

    Reply ↓
  9. Damonhoire

    Liked the careful word choice throughout, every term seemed picked for a reason rather than thrown in casually, and a stop at piscesmyrtle continued that precise style, this kind of attention to small details is what separates careful writing from the usual rushed content that dominates blog spaces today across pretty much every topic I follow.

    Reply ↓
  10. Kapelnica ot pohmelya_itEt

    Всем салют Ситуация паршивая Организм просто отказывается работать Короче, нашел реально работающий способ — капельница от похмелья быстрый результат Голова прошла и тошнота ушла В общем, жмите чтобы сохранить — капельница после запоя цена капельница после запоя цена Капельница — это быстро и эффективно Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  11. Kapelnica ot pohmelya_qcEt

    Доброго дня, земляки А на работу через пару часов Поилки и таблетки не помогают Короче, нашел реально работающий способ — капельница от похмелья на дому срочно Приехали через 30 минут В общем, телефон и цены тут — капельница от запоя круглосуточно капельница от запоя круглосуточно Не мучайтесь рассолами Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  12. Tedwed

    Genuine pleasure to read, and that is not something I say often after a casual click through, and a quick visit to morxavi kept the same feeling going across the rest of the site, finding writing that actually feels good to spend time with rather than just functional is increasingly rare on the open web.

    Reply ↓
  13. Miltonblush

    Thanks again for the post, I learned a couple of things I can actually use later this week, and after I went over qulmora the rest of the site looked equally promising, definitely going to spend more time here when I get a free moment over the weekend to read more carefully.

    Reply ↓
  15. Tuckertam

    Came away with some new perspectives I had not considered before, and after urbanrova those ideas felt more complete, the kind of content that stays with you a little while after reading rather than slipping out the moment you switch tabs and move on with your day to whatever comes next.

    Reply ↓
  16. Hankdib

    A particular pleasure to read this with a fresh coffee, and a look at zulqaro extended the pleasure across more pages, content that pairs well with quiet morning rituals is something I have come to value highly and this site has the kind of energy that fits naturally into a calm reading routine.

    Reply ↓
  18. JakeGox

    The tone stayed consistent across the whole post which is harder than it looks for longer pieces, and a look at lattepinto continued the same voice, this kind of editorial consistency is a sign of either a single careful writer or a tightly run team and either is impressive today across the broader media environment.

    Reply ↓
  19. Kapelnica ot pohmelya_mgEt

    Всем салют Тошнит, трясёт, сил нет Нужно что-то серьёзное Короче, единственное что реально спасает — снятие похмелья капельницей эффективно Вернулся к жизни В общем, телефон и цены тут — вывод из запоя стоимость вывод из запоя стоимость Не мучайтесь рассолами Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  20. Kapelnica ot pohmelya_qwEt

    Всем салют А на работу через пару часов Нужно что-то серьёзное Короче, врачи приехали и поставили систему — капельница после похмелья с витаминами Поставили капельницу с солевым раствором В общем, вся инфа по ссылке — капельница при алкогольной интоксикации цена капельница при алкогольной интоксикации цена Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  22. Finnerync

    Worth saying that the quiet confidence of the writing is what landed first, and a look at xavlumo continued that quiet quality, confident writing without the loud display of confidence is a rare combination and this site has clearly developed both the knowledge and the editorial restraint to land that combination consistently.

    Reply ↓
  23. Kapelnica ot pohmelya_hvEt

    Привет из Самары А на работу через пару часов Организм просто отказывается работать Короче, нашел реально работающий способ — капельница при похмелье с препаратами Приехали через 30 минут В общем, жмите чтобы сохранить — прокапаться от алкоголя цены прокапаться от алкоголя цены Капельница — это быстро и эффективно Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  26. Cadenrhync

    A piece that did not lean on the writer credentials or institutional backing, and a look at mexvoro maintained the same focus on substance, content that earns trust through quality rather than through name dropping is the kind I find most persuasive and this site is clearly playing on the substance side of that distinction.

    Reply ↓
  29. Kapelnica ot pohmelya_dgEt

    Здорова, народ А на работу через пару часов Рассол уже не лезет Короче, врачи приехали и поставили систему — снятие похмелья капельницей эффективно Вернулся к жизни В общем, не потеряйте контакты — капельница от запоя цена капельница от запоя цена Не мучайтесь рассолами Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  32. Iradiord

    Now saved this in a way that I will actually find again rather than the casual bookmark approach, and a stop at mercymodel earned the same careful saving, organising my reading bookmarks so that high quality sources rise to the top is something I should do more of and this site triggered that organisation today.

    Reply ↓
  33. MaxMew

    Now noticing that the post never raised its voice even when making a strong point, and a look at tirlumo continued that calm volume, content that can make important points without resorting to typographic emphasis or emotional appeal is content that trusts its substance to do the work and this site has that confidence consistently.

    Reply ↓
  34. Brocksweet

    Found the rhythm of the prose particularly enjoyable on this read through, and a look at mavlizo kept that musical quality going across the related pages, sentence rhythm is something most blog writers ignore but it makes a real difference in how content lands with the careful reader who cares.

    Reply ↓
  37. Kapelnica ot pohmelya_ndEt

    Доброго дня, земляки А на работу через пару часов Рассол уже не лезет Короче, нашел реально работающий способ — капельница от похмелья на дому срочно Голова прошла и тошнота ушла В общем, не потеряйте контакты — вывести из запоя капельница на дому вывести из запоя капельница на дому Не мучайтесь рассолами Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  38. Grahambling

    One of the more thoughtful posts I have read recently on this topic, and a stop at hirpod added even more weight to that impression, this is genuinely good content that holds its own against far better known sites in the same space without trying to imitate any of them at all which I appreciate.

    Reply ↓
  39. Kapelnica ot pohmelya_ikOl

    Всем привет с Урала А на работу через пару часов Поилки и таблетки не помогают Короче, единственное что реально спасает — капельница от похмелья цена доступная Приехали через 30 минут В общем, телефон и цены тут — вызвать капельницу от запоя на дому вызвать капельницу от запоя на дому Не мучайтесь рассолами Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  40. Kapelnica ot zapoya_tkPn

    Здорово, народ Близкий человек снова сорвался Дети боятся Домашние методы не работают Короче, врачи приехали за полчаса — вызвать капельницу от запоя на дому срочно Поставили капельницу с детокс-раствором В общем, жмите чтобы сохранить — капельница от похмелья на дому стоимость капельница от похмелья на дому стоимость Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  41. Kellyoccam

    Worth pointing out that the writer made the topic feel more interesting than I had been expecting, and a look at conexbuilt 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 ↓
  42. Aidanbew

    Worth pointing out that the post avoided the temptation to summarise everything at the end, and a look at zunqavo continued that confident closing approach, content that trusts readers to retain the substance without being reminded of it at the end is content that respects the reader and this site practices that respect.

    Reply ↓
  43. OscarElany

    Worth a slow read rather than the fast scan I usually default to, and a look at mirelogic earned the same slower pace from me, content that resets my reading speed downward is content with substance worth absorbing and this site has produced that effect on me multiple times now over the last week here.

    Reply ↓
  44. Sullivanrag

    Liked the post enough to read it twice and the second read found new things, and a stop at peltpetal similarly rewarded the second look, content with hidden depths that only reveal themselves on careful rereading is the rare kind that earns lasting respect rather than fleeting first impressions only briefly held.

    Reply ↓
  45. Narkologicheskii stacionar_zkei

    Москва, всем привет Брат потерял человеческий облик Соседи уже вызвали участкового Платная клиника просит бешеные деньги Короче, спасла только госпитализация — наркологическая клиника стационар с круглосуточным наблюдением Врачи и медсёстры 24/7 В общем, вся инфа по ссылке — госпитализация в наркологический стационар госпитализация в наркологический стационар Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в беде

    Reply ↓
  48. EliDrown

    Bookmark added with a small note about why, and a look at cartzaro prompted another bookmark with another note, the bookmarks I annotate are the ones I expect to return to deliberately rather than stumble into and this site is generating annotated bookmarks at a higher rate than my usual content sources by some margin.

    Reply ↓
  49. Narkologicheskii stacionar_jfei

    Люди подскажите Муж просто умирает на глазах Дети боятся заходить в комнату В диспансер тащить — последнее дело Короче, спасла только госпитализация — наркологический стационар цена адекватная Положили в палату В общем, телефон и цены тут — наркология москва стационар https://narkologicheskij-staczionar-moskva-zrt.ru Стационар — это единственный выход Перешлите тем кто в беде

    Reply ↓
  50. Kapelnica ot pohmelya_fvOl

    Всем привет с Урала Тошнит, трясёт, сил нет Нужно что-то серьёзное Короче, нашел реально работающий способ — капельница от похмелья купить с выездом Через час состояние нормализовалось В общем, вся инфа по ссылке — прокапаться с похмелья https://kapelnicza-ot-pokhmelya-ekaterinburg-sdj.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓

Leave a Reply

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