Niagara实现procedural浪花

11,256 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：

11,256 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  1. Kapelnica ot zapoya_eppn

    Люди подскажите Брат совсем потерял контроль Родственники не знают как помочь Таблетки не помогают Короче, врачи приехали и поставили систему — капельница от запоя с витаминами и препаратами Через пару часов человек пришёл в себя В общем, жмите чтобы сохранить — вызвать капельницу от запоя на дому вызвать капельницу от запоя на дому Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  3. Kapelnica ot zapoya_fzpn

    Воронеж, всем привет Отец не встаёт с дивана Дети боятся Нужна профессиональная помощь на дому Короче, спасла только капельница — вызвать капельницу от запоя на дому быстро Приехали через 30 минут В общем, жмите чтобы сохранить — прокапаться на дому воронеж https://kapelnicza-ot-zapoya-voronezh-znf.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  4. PedroRhymn

    Better signal to noise ratio than most places I check on this kind of topic, and a look at balticclose kept that going, every paragraph here carries something worth reading rather than padding out the page to hit some arbitrary length target that search engines reward but readers ignore as soon as they notice it.

    Reply ↓
  5. Kapelnica ot zapoya_umpn

    Воронеж, всем привет Брат совсем потерял контроль Соседи стучат в стену Нужна профессиональная помощь на дому Короче, единственное что вытащило из запоя — прокапаться от алкоголя цены приемлемые Через пару часов человек пришёл в себя В общем, жмите чтобы сохранить — вывести из запоя капельница на дому вывести из запоя капельница на дому Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  6. Kapelnica ot zapoya_qlpn

    Здорова, народ Близкий человек уже неделю в запое Соседи стучат в стену Скорая не приедет Короче, единственное что вытащило из запоя — вызвать капельницу от запоя на дому быстро Через пару часов человек пришёл в себя В общем, не потеряйте контакты — капельница от запоя стоимость https://kapelnicza-ot-zapoya-voronezh-znf.ru Капельница — это реальный выход Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  7. Kapelnica ot pohmelya_uzmt

    Здорово, народ После вчерашнего вообще никак Рассол уже не лезет Короче, единственное что реально спасает — капельница от похмелья на дому срочно Через час состояние нормализовалось В общем, жмите чтобы сохранить — капельница на дому цена https://kapelnicza-ot-pokhmelya-samara-dxq.ru Капельница — это быстро и эффективно Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  8. Kapelnica ot pohmelya_swmt

    Привет с Волги Голова раскалывается Поилки и таблетки не помогают Короче, врачи приехали и поставили систему — капельница при похмелье с препаратами Через час состояние нормализовалось В общем, жмите чтобы сохранить — прокапаться на дому от алкоголя цена прокапаться на дому от алкоголя цена Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  9. Kapelnica ot pohmelya_srmt

    Здорово, народ Тошнит, трясёт, сил нет Рассол уже не лезет Короче, врачи приехали и поставили систему — капельница после похмелья с витаминами Голова прошла и тошнота ушла В общем, не потеряйте контакты — капельница от запоя клиника капельница от запоя клиника Капельница — это быстро и эффективно Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  10. Gilbertnex

    Found this through a friend who recommended it and now I see why, and a look at clarityroutehub only strengthened that recommendation in my own mind, word of mouth still works for content that actually delivers and this site is clearly earning recommendations the old fashioned way through quality rather than marketing.

    Reply ↓
  11. Kapelnica ot pohmelya_oimt

    Доброго вечера Ситуация жёсткая Организм просто отказывается работать Короче, врачи приехали и поставили систему — сделать капельницу от похмелья недорого Приехали через 30 минут В общем, не потеряйте контакты — алкогольная капельница на дому https://kapelnicza-ot-pokhmelya-samara-dxq.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  14. Kapelnica ot zapoya_uwpn

    Воронеж, всем привет Ситуация тяжёлая Родственники не знают как помочь Нужна профессиональная помощь на дому Короче, спасла только капельница — капельница от запоя на дому срочно Через пару часов человек пришёл в себя В общем, вся инфа по ссылке — прокапаться на дому цена https://kapelnicza-ot-zapoya-voronezh-znf.ru Капельница — это реальный выход Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  16. Kapelnica ot zapoya_ecpn

    Слушайте кто знает Отец не встаёт с дивана Жена плачет Нужна профессиональная помощь на дому Короче, спасла только капельница — капельница от запоя цена доступная Через пару часов человек пришёл в себя В общем, не потеряйте контакты — прокапаться от алкоголя цены прокапаться от алкоголя цены Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  17. LincolnPip

    Now adding the homepage to my regular check rotation rather than waiting for individual links to find me, and a stop at lionpilot confirmed the rotation upgrade, the move from passive discovery to active checking is a vote of confidence in a sites ongoing quality and this site has earned that active engagement clearly.

    Reply ↓
  18. Kapelnica ot pohmelya_bzmt

    Привет с Волги Голова раскалывается Рассол уже не лезет Короче, единственное что реально спасает — капельница после похмелья с витаминами Поставили капельницу с солевым раствором В общем, жмите чтобы сохранить — капельница на дому цена https://kapelnicza-ot-pokhmelya-samara-dxq.ru Не мучайтесь рассолами Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  19. Yalebeaut

    Worth flagging that the post handled an angle of the topic I had not seen elsewhere, and a look at cartcab extended that fresh treatment, content that finds underexplored corners of well covered subjects is genuinely valuable and this site has demonstrated that exploratory editorial approach across multiple pieces in my reading sessions today.

    Reply ↓
  21. Kapelnica ot pohmelya_lcmt

    Салют, Самара После вчерашнего вообще никак Нужно что-то серьёзное Короче, нашел реально работающий способ — капельница после похмелья с витаминами Поставили капельницу с солевым раствором В общем, не потеряйте контакты — снять запой на дому снять запой на дому Не мучайтесь рассолами Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  22. Tobiasdak

    Now wishing more sites covered topics with this level of care, and a look at balticbull extended that wish across more subjects, the rarity of careful coverage on most topics is a problem and this site is one of the small antidotes to that broader pattern of casual or surface treatment of complex subjects.

    Reply ↓
  26. Jamescab

    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 muscatneedle I was certain this is one of the better corners of the internet for this particular kind of content which is genuinely refreshing.

    Reply ↓
  27. DamonTRAMN

    Now adding the homepage to my regular check rotation rather than waiting for individual links to find me, and a stop at xomvani confirmed the rotation upgrade, the move from passive discovery to active checking is a vote of confidence in a sites ongoing quality and this site has earned that active engagement clearly.

    Reply ↓
  29. Emanueltep

    Generally I bookmark sparingly to avoid building up a bookmark graveyard but this one earned a permanent slot, and a stop at nexzaro extended that permanence designation, the few sites I keep permanent bookmarks for are sites I expect to use repeatedly and this one has clearly cleared that expectation bar today.

    Reply ↓
  30. Reginaldrah

    Genuine reaction is that this site clicked with how I like to read, and a look at loudmark kept that comfortable fit going, sometimes you find a place online whose editorial decisions just align with your preferences and when that happens it is worth recognising and supporting through repeat engagement consistently going forward.

    Reply ↓
  31. SebastianHOILL

    A piece that reads like it was written for me without claiming to be written for me, and a look at mavquro produced the same fit, when the writer audience match clicks naturally without being engineered through demographic targeting you know the writing is solid and this site has that natural fit consistently for me.

    Reply ↓
  33. Quincywet

    Worth flagging that this approach to the topic is fresh without being contrarian, and a stop at dealmixo extended the same fresh angle, finding original perspective on familiar subjects is rare and this site has clearly developed its own way of seeing rather than echoing the dominant takes from elsewhere consistently.

    Reply ↓
  35. Kapelnica ot pohmelya_cyOl

    Всем привет с Урала Ситуация знакомая Поилки и таблетки не помогают Короче, врачи приехали и поставили систему — капельница от похмелья цена доступная Голова прошла и тошнота ушла В общем, не потеряйте контакты — капельница против похмелья капельница против похмелья Капельница — это быстро и эффективно Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  36. Kapelnica ot pohmelya_zkOl

    Здорово, Екатеринбург А на работу через пару часов Поилки и таблетки не помогают Короче, единственное что реально спасает — капельница от похмелья на дому цена адекватная Приехали через 30 минут В общем, жмите чтобы сохранить — капельница на дом от похмелья https://kapelnicza-ot-pokhmelya-ekaterinburg-sdj.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  37. Kapelnica ot pohmelya_qbmt

    Здорово, народ Голова раскалывается Нужно что-то серьёзное Короче, единственное что реально спасает — капельница от похмелья быстрый результат Голова прошла и тошнота ушла В общем, не потеряйте контакты — вывод из запоя капельница на дому вывод из запоя капельница на дому Капельница — это быстро и эффективно Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  38. Narkologicheskii stacionar_tyei

    Слушайте кто знает Муж просто умирает на глазах Жена рыдает В диспансер тащить — последнее дело Короче, врачи стационара реально вытащили — платный наркологический стационар с палатами Врачи и медсёстры 24/7 В общем, жмите чтобы сохранить — палата в наркологии https://narkologicheskij-staczionar-moskva-zrt.ru Звоните прямо сейчас Это может спасти жизнь

    Reply ↓
  39. Narkologicheskii stacionar_dbei

    Здорова, народ Отец не встаёт с кровати Родственники в полном отчаянии В диспансер тащить — последнее дело Короче, врачи стационара реально вытащили — наркологический стационар с интенсивной терапией Провели полную детоксикацию В общем, вся инфа по ссылке — наркологическая больница стационар наркологическая больница стационар Звоните прямо сейчас Это может спасти жизнь

    Reply ↓
  40. Narkologicheskii stacionar_jvei

    Люди подскажите Муж просто умирает на глазах Дети боятся заходить в комнату Платная клиника просит бешеные деньги Короче, спасла только госпитализация — наркологическая клиника стационар с круглосуточным наблюдением Положили в палату В общем, вся инфа по ссылке — палата в наркологии https://narkologicheskij-staczionar-moskva-zrt.ru Стационар — это единственный выход Это может спасти жизнь

    Reply ↓
  41. Narkologicheskii stacionar_dcei

    Люди подскажите Брат потерял человеческий облик Родственники в полном отчаянии Платная клиника просит бешеные деньги Короче, спасла только госпитализация — наркологическая больница стационар с капельницами Врачи и медсёстры 24/7 В общем, не потеряйте контакты — сколько стоит прокапаться от алкоголя в стационаре https://narkologicheskij-staczionar-moskva-zrt.ru Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в беде

    Reply ↓
  42. MilesLiaps

    Now noticing how rare it is to find a site that does not feel rushed, and a look at shopzaro extended that calm pace, content produced without time pressure has a different quality than content shipped to meet a deadline and this site reads as written without urgency which produces a different and better experience for readers.

    Reply ↓
  43. Kapelnica ot pohmelya_nbOl

    Доброго дня, земляки Тошнит, трясёт, сил нет Рассол уже не лезет Короче, нашел реально работающий способ — капельница от похмелья на дому срочно Голова прошла и тошнота ушла В общем, телефон и цены тут — прокапать на дому похмелье https://kapelnicza-ot-pokhmelya-ekaterinburg-sdj.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  44. Kapelnica ot pohmelya_llOl

    Всем привет с Урала Тошнит, трясёт, сил нет Поилки и таблетки не помогают Короче, нашел реально работающий способ — капельница от похмелья на дому срочно Через час состояние нормализовалось В общем, вся инфа по ссылке — снятие похмелья капельницей снятие похмелья капельницей Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  45. Estevanwes

    Found this through a search that was generic enough I did not expect quality results, and a look at motelmorel continued the surprisingly good experience, search engines occasionally still surface excellent independent content if you scroll past the obvious paid and high authority results which is reassuring to remember sometimes.

    Reply ↓
  46. Colesmure

    Reading this triggered a small reorganisation of my own thinking on the topic, and a stop at hupblob furthered that reorganisation, content that affects the shape of my mental model rather than just decorating it with new facts is content with structural rather than informational impact and this site provides that.

    Reply ↓
  47. Kapelnica ot pohmelya_liOl

    Всем привет с Урала После вчерашнего вообще никак Организм просто отказывается работать Короче, нашел реально работающий способ — капельница от похмелья купить с выездом Приехали через 30 минут В общем, вся инфа по ссылке — капельница на дому екатеринбург https://kapelnicza-ot-pokhmelya-ekaterinburg-sdj.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  48. ErnestExini

    Thanks for sharing this with the open internet rather than locking it behind a paywall like so many sites do now, and a stop at urbanvo kept the same vibe going, generous helpful and clearly written by someone who actually wants people to learn from it rather than just charge them.

    Reply ↓
  50. Gusbag

    Appreciated how the post felt complete without overstaying its welcome, and a stop at modmixo 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 ↓

Leave a Reply

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