Niagara实现procedural浪花

11,193 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：

11,193 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  1. Narkolog na dom_zuPl

    Салют, Москва Отец не выходит из штопора Родные не знают что делать Таблетки не помогают Короче, единственный кто реально помог — врач нарколог на дом с препаратами Осмотрел и поставил капельницу В общем, жмите чтобы сохранить — вызвать нарколога на дом москва вызвать нарколога на дом москва Нарколог на дом — это быстро и эффективно Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  2. Narkolog na dom_jmPl

    Привет из столицы Мой брат уже четвёртые сутки в запое Соседи стучат В клинику тащить страшно Короче, помог только этот врач — наркологическая служба на дом профессионально Через пару часов человек пришёл в себя В общем, вся инфа по ссылке — нужен нарколог на дом нужен нарколог на дом Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  3. Narkolog na dom_rgPl

    Доброго времени суток Сосед совсем спился Дети в шоке Таблетки не помогают Короче, нарколог приехал за час — вызов нарколога на дом недорого Дал рекомендации и успокоил семью В общем, телефон и цены тут — платный нарколог на дом платный нарколог на дом Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  4. Narkolog na dom_lxPl

    Здорово, народ Мой брат уже четвёртые сутки в запое Родные не знают что делать Домашние методы бесполезны Короче, нарколог приехал за час — наркологическая служба на дом профессионально Приехал через 40 минут В общем, телефон и цены тут — нарколог на дом вывод из запоя нарколог на дом вывод из запоя Нарколог на дом — это быстро и эффективно Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  6. RoyzeT

    Reading this confirmed that my time researching the topic in other places had not been wasted, and a stop at trendzaro 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 ↓
  7. MackEnuck

    I really like the calm tone here, it does not push anything on the reader, and after I went through quarkpivot I felt the same way, just steady useful content laid out without drama, which is exactly what someone trying to learn something quickly needs to find rather than aggressive marketing.

    Reply ↓
  12. Traviswed

    Felt the post was written for someone like me without explicitly addressing me, and a look at pantheroffer produced the same fit, when content lands on its target without pandering you know the writer has done careful audience thinking rather than relying on demographic targeting or interest signals to do the work of editorial decisions.

    Reply ↓
  13. Kapelnica ot zapoya_lmPn

    Здорово, народ Мой отец уже пятые сутки в запое Жена на грани срыва В клинику везти страшно Короче, спасла только эта капельница — вызвать капельницу от запоя на дому срочно Приехали через 30 минут В общем, не потеряйте контакты — капельница против похмелья капельница против похмелья Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  15. Narkolog na dom_rjPl

    Салют, Москва Сосед совсем спился Родные не знают что делать Домашние методы бесполезны Короче, нарколог приехал за час — нарколог на дом срочно Осмотрел и поставил капельницу В общем, жмите чтобы сохранить — доктор нарколог вывод из запоя на дому https://narkolog-na-dom-moskva-kjl.ru Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  16. Narkolog na dom_xiPl

    Доброго времени суток Отец не выходит из штопора Мать на грани В клинику тащить страшно Короче, помог только этот врач — услуги нарколога на дом качественно Через пару часов человек пришёл в себя В общем, вся инфа по ссылке — частный нарколог на дом быстро https://narkolog-na-dom-moskva-kjl.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  17. Kapelnica ot zapoya_sgPn

    Привет с Урала Близкий человек снова сорвался Соседи стучат в стену Домашние методы не работают Короче, врачи приехали за полчаса — капельница после запоя с витаминами Поставили капельницу с детокс-раствором В общем, телефон и цены тут — поставить капельницу от похмелья https://kapelnicza-ot-zapoya-ekaterinburg-nmx.ru Капельница — это реальный выход Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  18. Tylercom

    Now noticing that the post avoided the temptation to be funny in places where humour would have undermined the substance, and a stop at tavmixo maintained the same restraint, knowing when to be serious is a rare editorial virtue and this site has clearly developed it through what I assume is careful editorial practice over years.

    Reply ↓
  19. LawrenceToorb

    Excellent execution from start to finish, the post never loses its rhythm and the points stay sharp, and a quick stop at vanqiro 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 ↓
  23. GaryFoole

    Thank you for not assuming the reader already knows everything, the explanations meet me where I am, and a look at operalucid did the same, that consideration is what makes a site feel welcoming rather than gatekeepy which is sadly the default mood across the modern web today for most subjects covered.

    Reply ↓
  24. JulioLar

    Sets a higher bar than most of what shows up in search results for this topic, and a look at danebase 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 ↓
  28. Narkolog na dom_zmPl

    Здорово, народ Мой брат уже четвёртые сутки в запое Дети в шоке Домашние методы бесполезны Короче, нарколог приехал за час — нарколог на дом срочно Дал рекомендации и успокоил семью В общем, не потеряйте контакты — нарколог на дом круглосуточно цены нарколог на дом круглосуточно цены Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же ситуации

    Reply ↓
  29. ByronBoype

    Following the post through to the end without my attention drifting once, and a look at modluma earned the same uninterrupted attention, content that holds attention without manipulating it is content with substantive pull and this site has demonstrated that substantive pull across multiple pieces in a single reading session reliably here today.

    Reply ↓
  30. Kapelnica ot zapoya_wtPn

    Доброго дня Брат не выходит из штопора Дети боятся Таблетки бесполезны Короче, единственное что вытащило из запоя — капельница на дому от запоя с препаратами Приехали через 30 минут В общем, вся инфа по ссылке — капельница после запоя капельница после запоя Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  31. LeeSmach

    Picked up a couple of new ideas here that I can actually try out, and after my visit to zarqiro I have even more notes saved, this is the kind of resource that pays you back for the time you spend on it which is rare to come across in this corner of the web.

    Reply ↓
  32. Lawrenceovemn

    Reading this gave me a small mental break from the heavier reading I had been doing, and a stop at clarityoperations extended that lighter feel, content that provides relief without becoming trivial is harder to produce than people realise and this site has clearly figured out how to be light without being shallow at all.

    Reply ↓
  33. WilfordZef

    Better than the average post on this subject by some distance, and a look at qalnexo reinforced that, you can tell within the first paragraph that the writer here actually cares about the topic rather than just covering it for the sake of having something to publish that week or that day.

    Reply ↓
  34. shkola onlain_ykkr

    Мамы и папы слушайте Замучились мы с этой школой Ребёнок перегружен Короче, нашли отличный вариант — онлайн школа Москва без стресса Уроки по расписанию который сам выбираешь В общем, там программа и условия — онлайн школа ломоносов онлайн школа ломоносов Не мучайте себя и детей Перешлите другим родителям

    Reply ↓
  38. shkola onlain_fekr

    Всем привет родители Учителя которые только оценками меряют А эти бесконечные ремонты в классе Короче, нашли отличный вариант — онлайн класс с 1 по 11 класс Ребёнок реально понимает тему В общем, сохраняйте себе — ломоносов скул онлайн школа ломоносов скул онлайн школа Не мучайте себя и детей Перешлите другим родителям

    Reply ↓
  39. 888starz apk_vzoa

    تم تعريب التطبيق بالكامل ليكون مريحًا لمستخدمي الهواتف في مصر.

    يتوفر رابط تنزيل 888starz apk بشكل مباشر ضمن قسم التطبيقات في الموقع.

    يتطلب تثبيت الملف السماح بالتثبيت من مصادر خارجية عبر إعدادات الأمان.

    توفر نسخة أندرويد إدارة كاملة للرصيد من دون الحاجة للموقع الرسمي.

    لا يُنصح بتحميل ملف apk من مواقع مجهولة قد تحتوي على برمجيات ضارة.

    يمكن لمستخدمي آبل تثبيت التطبيق على iOS بطريقة سهلة ومباشرة.

    تنزيل تطبيق 888 تنزيل تطبيق 888

    Reply ↓
  40. 888starz_sqEn

    يفتح 888starz أمام لاعبي مصر بوابة واحدة للكازينو والمراهنات الرياضية.
    يبرز الموقع مجموعة 888Games الخاصة بنتائجها السريعة.
    888starz 888starz
    تتوفر أسواق على البطولات الكبرى إلى جانب الدوري المصري.
    يطرح 888starz مكافآت منتظمة تشمل الاسترداد النقدي والترقيات.
    يعمل فريق المساعدة طوال اليوم مع تطبيق محمول لأندرويد وآبل.

    Reply ↓
  41. vox casino kod promocyjny_jnOt

    Dzięki kodowi gracz może otrzymać bonus od depozytu, darmowe spiny lub inne nagrody.

    Aby wykorzystać kod, należy założyć konto w Vox Casino i przejść proces rejestracji.

    Wygrane z kodu należy obrócić zgodnie z warunkiem zakładu podanym w regulaminie.

    Najnowsze kody warto sprawdzać przed rejestracją, aby wybrać najlepszą ofertę.

    Grę należy prowadzić odpowiedzialnie, a oferta jest przeznaczona dla osób pełnoletnich.

    vox casino kod promocyjny bez depozytu 2026 vox casino kod promocyjny bez depozytu 2026

    Reply ↓
  42. 888starz apk_zxMl

    تنزيل تطبيق 888 تنزيل تطبيق 888
    يقدم التطبيق واجهة عربية واضحة تسهّل الاستخدام على لاعبي مصر.

    يتم تنزيل التطبيق خلال وقت قصير حتى مع اتصال إنترنت متوسط السرعة.

    ينبغي تمكين خيار المصادر غير المعروفة حتى يقبل نظام أندرويد ملف apk.

    يدعم التطبيق وسائل الدفع المحلية والمحافظ الإلكترونية والعملات الرقمية.

    يحمي التحميل من المصدر الموثوق بيانات الحساب وأموال اللاعب.

    يستفيد لاعبو مصر من الأكواد الترويجية والمكافآت مباشرة من التطبيق.

    Reply ↓
  43. 888starz_oySr

    starz888 starz888
    يقدم 888starz قائمة معرّبة سهلة وتصميمًا يلائم المستخدم القاهري.

    يضم الكازينو آلاف عناوين السلوت من استوديوهات عالمية.

    يقدم 888starz تغطية تمتد من مباريات القاهرة المحلية إلى الأحداث العالمية.

    ولا تتوقف العروض عند الترحيب، بل تشمل كاش باك ورهانات مجانية وبطولات.

    يعمل فريق المساعدة طوال اليوم مع تطبيق محمول لأندرويد وآبل.

    Reply ↓
  44. 888starz apk_wkoa

    يمثل 888starz apk الطريقة الأسرع للحصول على التطبيق على أجهزة أندرويد في مصر.

    يُحفظ الملف تلقائيًا في مجلد التنزيلات على الهاتف بعد انتهاء التحميل.

    قبل تثبيت 888starz apk يجب تفعيل خيار التثبيت من مصادر غير معروفة في إعدادات أندرويد.

    توفر النسخة المحمولة خطوط رهان مباشرة تتغير مع مجريات اللقاء.

    يُنصح بتثبيت كل تحديث جديد لملف apk للاستفادة من التحسينات الأخيرة.

    يعمل الدعم الفني داخل التطبيق على مدار الساعة بالعربية والإنجليزية.

    تنزيل تطبيق 888 تنزيل تطبيق 888

    Reply ↓
  45. 888starz apk_hyMl

    888starz apk 888starz apk
    يبحث الكثير من اللاعبين في مصر عن ملف 888starz apk للحصول على التطبيق على هواتف أندرويد.

    ينتهي تحميل ملف apk سريعًا لأن حجمه لا يتعدى بضع عشرات من الميغابايت.

    بعد ذلك يكفي الضغط على الملف والموافقة على الأذونات لتبدأ عملية التثبيت.

    يمنح تطبيق 888starz في مصر وصولًا كاملًا إلى قسم الكازينو وقسم الرهانات الرياضية.

    لا يُنصح بتحميل ملف apk من مواقع مجهولة قد تحتوي على برمجيات ضارة.

    يحصل مستخدمو التطبيق في مصر على المكافأة الترحيبية نفسها المتاحة على الموقع الرسمي.

    Reply ↓
  47. AndreGet

    Reading this on the train into work was a better use of the commute than my usual choices, and a stop at strategyoperations extended that commute reading well, content that improves transit time rather than just filling it is content with practical benefit and this site has earned its place in my morning commute reading rotation.

    Reply ↓
  48. shkola onlain_vrkr

    Народ у кого дети Каждый день как на работу А эти бесконечные ремонты в классе Короче, нашли отличный вариант — онлайн класс с 1 по 11 класс Учителя настоящие профи В общем, там программа и условия — ломоносова скул https://shkola-onlajn-zup.ru Переходите на дистанционное обучение Перешлите другим родителям

    Reply ↓

Leave a Reply

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