Niagara实现procedural浪花

11,127 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：

11,127 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  1. 888starz_cjot

    يتيح 888starz للاعبين في مصر منصة رسمية تجمع الكازينو والرهانات الرياضية في موقع واحد.
    يوفر الكازينو الحي أكثر من 250 طاولة بموزعين حقيقيين تعمل بلا توقف.
    starz 888 starz 888
    يقدم 888starz تغطية للدوريات الأوروبية والمنافسات المصرية.
    ويقدم قسم الرياضة مكافأة 100% تصل إلى 100 يورو.
    يبقى الدعم متاحًا 24/7 عبر الدردشة والبريد مع تطبيق لأندرويد و iOS.

    Reply ↓
  2. shkola onlain_gxEi

    Народ у кого дети в школе Задолбали эти сборы в 7 утра Ребёнок не высыпается Короче, нашли крутую альтернативу — онлайн школа Москва с реальными знаниями Преподаватели профи В общем, смотрите сами по ссылке — ломоносов школа онлайн https://shkola-onlajn-nvc.ru Хватит мучить себя и ребёнка Перешлите другим родителям

    Reply ↓
  4. Wayneintah

    The overall feel of the post was professional without being stuffy, and a look at zevarko kept that approachable expertise going, finding the right register for technical content is hard but this site has clearly figured out how to sound knowledgeable without slipping into that distant lecturing tone that loses readers in droves every time.

    Reply ↓
  5. MiloWetty

    Stands apart from similar pages by actually being useful, that is high praise these days, and a look at visionactionloop kept that standard going, you can tell when a site is built around the reader versus around metrics and this one clearly belongs to the first category for sure based on what I read.

    Reply ↓
  6. Kapelnica ot zapoya_utMl

    Всем привет с Урала Жесть полная Родные не знают что делать Никакие таблетки не помогают Короче, единственное что вытащило из запоя — вызвать капельницу от запоя на дому срочно Сняли острую интоксикацию В общем, не потеряйте контакты — капельница от похмелья на дом https://kapelnicza-ot-zapoya-ekaterinburg-sdj.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  7. Kapelnica ot zapoya_asMl

    Здорово, Екатеринбург Отец не выходит из штопора Мать на грани Никакие таблетки не помогают Короче, врачи приехали за час — капельница после запоя с витаминами Приехали через 35 минут В общем, не потеряйте контакты — капельница от похмелья на дому стоимость https://kapelnicza-ot-zapoya-ekaterinburg-sdj.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  8. shkola onlain_plEi

    Привет родителям Вечные двойки и тройки в дневнике Никакого интереса к учёбе Короче, реально удобный формат — школа онлайн с официальным аттестатом Ребёнок реально понимает материал В общем, сохраняйте себе — какие школы на дистанционном обучении https://shkola-onlajn-nvc.ru Переходите на дистант нормальный Перешлите другим родителям

    Reply ↓
  9. shkola onlain_tyEi

    Слушайте кто устал от обычной школы Учителя которые только и делают что пилят А поборы в классе просто бесят Короче, нашли крутую альтернативу — онлайн школа Москва с реальными знаниями Ребёнок реально понимает материал В общем, жмите чтобы не потерять — ломоносовская школа онлайн обучение ломоносовская школа онлайн обучение Хватит мучить себя и ребёнка Перешлите другим родителям

    Reply ↓
  12. Kapelnica ot zapoya_dnMl

    Здорово, Екатеринбург Сосед совсем спился Соседи стучат В клинику тащить страшно Короче, спасла только эта капельница — прокапаться на дому от алкоголя цена доступная Приехали через 35 минут В общем, жмите чтобы сохранить — капельница от похмелья на дому капельница от похмелья на дому Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  13. Kapelnica ot zapoya_hjMl

    Всем привет с Урала Отец не выходит из штопора Мать на грани Домашние методы бесполезны Короче, спасла только эта капельница — капельница после запоя с витаминами Сняли острую интоксикацию В общем, телефон и цены тут — сколько стоит прокапаться от алкоголя на дому https://kapelnicza-ot-zapoya-ekaterinburg-sdj.ru Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  14. Emilianostulp

    A well calibrated piece that knew its scope and stayed inside it, and a look at venluzo maintained the same scope discipline, scope creep is one of the failure modes of long blog posts and this site has clearly invested in the editorial discipline to prevent it which shows up in tightly contained pieces.

    Reply ↓
  15. Kapelnica ot zapoya_jgMl

    Доброго вечера, земляки Жесть полная Соседи стучат В клинику тащить страшно Короче, спасла только эта капельница — капельница на дому от запоя с препаратами Через пару часов человек пришёл в себя В общем, вся инфа по ссылке — капельница от алкоголя https://kapelnicza-ot-zapoya-ekaterinburg-sdj.ru Звоните прямо сейчас Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  16. AndreSeams

    Now recognising that this site has earned a place in the small group of resources I treat as authoritative, and a stop at lionneon confirmed that placement, the difference between resources I trust and resources I just consume is real and this site has clearly moved into the trusted category through consistent quality over time.

    Reply ↓
  17. Kapelnica ot zapoya_dzMl

    Всем привет с Урала Жесть полная Родные не знают что делать Никакие таблетки не помогают Короче, врачи приехали за час — капельница на дому от запоя с препаратами Приехали через 35 минут В общем, жмите чтобы сохранить — купить капельницу от похмелья https://kapelnicza-ot-zapoya-ekaterinburg-sdj.ru Не ждите пока станет хуже Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  18. BufordWhink

    Adding this site to my regular reading list, the post earned that on its own, and a quick stop at kavnero 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 ↓
  19. LewisExcub

    A piece that did not try to be timeless and ended up reading as durable anyway, and a look at growthacceleration extended that durable feel, content that stays useful past its publication date without straining for permanence is content that ages well and this site has the kind of evergreen quality that I value highly today.

    Reply ↓
  20. Nicholasblest

    Took longer than expected to finish because I kept stopping to think, and a stop at dealbrawn did the same to me, content that provokes thought rather than just delivering information is in a different category and the team here is clearly working at that higher level rather than just cranking out posts.

    Reply ↓
  21. shkola onlain_wqmn

    Мамы и папы всем привет Учителя которые только и знают что орать Ребёнок раздражённый Короче, нашли идеальное решение — школа онлайн с государственной лицензией Учителя объясняют доходчиво В общем, жмите чтобы не потерять — ломоносовская школа онлайн обучение ломоносовская школа онлайн обучение Хватит мучить себя и ребёнка Перешлите другим родителям

    Reply ↓
  23. Alecdedly

    Reading this in a quiet coffee shop matched the calm energy of the writing, and a stop at parademiso extended that environmental match, content that has its own ambient quality which can match or clash with surroundings is content with a personality and this site has the kind of personality that suits calm reading.

    Reply ↓
  24. Kapelnica ot zapoya_knMl

    Здорово, Екатеринбург Мой брат уже четвёртые сутки в запое Мать на грани Никакие таблетки не помогают Короче, спасла только эта капельница — капельница после запоя с витаминами Через пару часов человек пришёл в себя В общем, жмите чтобы сохранить — прокапаться от алкоголя на дому прокапаться от алкоголя на дому Капельница — это реальный выход Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  28. Kapelnica ot zapoya_whMl

    Приветствую Сосед совсем спился Родные не знают что делать Домашние методы бесполезны Короче, спасла только эта капельница — капельница от запоя на дому круглосуточно Сняли острую интоксикацию В общем, жмите чтобы сохранить — капельница от похмелья на дому цена капельница от похмелья на дому цена Капельница — это реальный выход Перешлите тем кто в такой же беде

    Reply ↓
  29. Timlon

    Reading this confirmed a hunch I had been carrying about the topic without having articulated it, and a stop at radiusnerve extended the confirmation, content that gives shape to fuzzy intuitions is doing the rare work of making private thoughts public and this site is providing that articulating service consistently for me lately.

    Reply ↓
  32. shkola onlain_ummn

    Слушайте кто ищет выход Учителя которые только и знают что орать А эти поборы на подарки учителям Короче, нашли идеальное решение — онлайн школа Москва с любого возраста Аттестат настоящий В общем, жмите чтобы не потерять — профильные онлайн школы https://shkola-onlajn-wqe.ru Хватит мучить себя и ребёнка Перешлите другим родителям

    Reply ↓
  36. JoelMoold

    Bookmark earned, share earned, return visit earned, all from one reading session, and a look at ponyosier did the same, the trifecta of bookmark and share and return is rare in a single visit and represents the highest level of engagement I tend to offer any piece of online content these days here.

    Reply ↓
  38. LeoLaW

    Now thinking I want more sites built on this kind of editorial foundation, and a stop at beckarrow extended that wish into a broader hope, sites built on substance and care rather than on metrics and growth are the kind of sites I want to see more of and this one is a small example worth supporting.

    Reply ↓
  39. shkola onlain_ouKn

    Народ у кого дети Каждое утро как на войну собираться Ребёнок к вечеру как выжатый лимон Короче, реально крутая система — школа дистанционно с индивидуальным подходом Ребёнок учится и не перегружается В общем, смотрите сами по ссылке — Переходите на нормальное обучение Перешлите другим родителям

    Reply ↓
  40. RickDrase

    A particular pleasure to read this with a fresh coffee, and a look at zimqano 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 ↓
  41. shkola onlain_rlmn

    Здорова родители Каждое утро как каторга Только оценки и нервотрёпка Короче, реально удобный формат учёбы — онлайн школа Москва с любого возраста Учителя объясняют доходчиво В общем, там программа и отзывы — онлайн школа москва https://shkola-onlajn-wqe.ru Переходите на нормальное обучение Перешлите другим родителям

    Reply ↓
  45. shkola onlain_epmn

    Слушайте кто ищет выход Домашка на весь вечер Ребёнок раздражённый Короче, реально удобный формат учёбы — школа онлайн с государственной лицензией Аттестат настоящий В общем, сохраняйте себе — школа дистанционно https://shkola-onlajn-wqe.ru Переходите на нормальное обучение Перешлите другим родителям

    Reply ↓
  46. AndrewArbib

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

    Reply ↓
  48. Dwightquamn

    Just sat with this for a bit longer than I usually would because the points are worth thinking about, and after visiontrigger I had even more to chew on, the kind of post that nudges your thinking forward without forcing the issue is something I have always appreciated in good writing online.

    Reply ↓
  49. RufusFag

    Now considering writing a longer note about the post somewhere, and a look at venmizo 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 ↓
  50. Martinarict

    Found the post genuinely useful for something I was working on this week, and a look at deanburst added more material I will reference, content that connects to my actual life and work rather than just being interesting in the abstract is the kind I will pay attention to and return to repeatedly.

    Reply ↓

Leave a Reply

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