Niagara实现procedural浪花

10,244 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：

10,244 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  1. Lancerem

    Decided not to comment because the post said what needed saying, and a stop at unitytrustcircle continued that complete feel, content that does not invite obvious additions or corrections from readers is content that has been carefully considered and this site appears to consistently produce pieces that satisfy rather than provoke unnecessary follow ups.

    Reply ↓
  2. DerekElift

    Reading carefully this time rather than scanning, and the depth shows up in places I missed first time around, and a look at capitaltrustee rewarded the same careful approach, content that holds up to multiple reads is content I want more of in my regular rotation rather than disposable scroll fodder daily.

    Reply ↓
  3. Markrinee

    The headings made navigating the post simple even when I needed to find a specific section quickly, and a look at motionactivation continued the same thoughtful structure, small details like clear headings show that someone is actually thinking about how the reader uses the page rather than just filling it for length alone.

    Reply ↓
  4. Johnniefaw

    The structure of the post made it easy to follow without losing track of where I was, and a look at growthmovesdecisively kept the same logical flow going, this site clearly understands that organisation is half the battle in keeping readers engaged from the first line to the last across any kind of post.

    Reply ↓
  6. vavada_qhEt

    Народ кто в теме Вечно то лаги Искал долго, перепробовал кучу вариантов Короче, единственное где не кидают — вавада с быстрыми выплатами Вывод денег за 5 минут В общем, жмите чтобы не потерять — вавада казино онлайн официальный сайт вавада казино онлайн официальный сайт Только вавада реально рулит Перешлите тому кто тоже ищет нормальное казино

    Reply ↓
  7. Rabota v Kazahstane_jroi

    Слушайте внимательно А жить на что-то надо Пересмотрел тысячи вакансий Короче, единственный где есть нормальные предложения — работа онлайн Казахстан удаленно Оплата вовремя В общем, сохраняйте себе — как найти работу в казахстане https://vakansii.sitsen.kz Найдите нормальную работу Перешлите тому кто ищет работу

    Reply ↓
  8. Rabota v Kazahstane_floi

    Народ кто ищет работу Замучился я уже искать нормальную работу Везде одно и то же Короче, реально рабочий вариант — работа в Казахстане с высокой зарплатой Берут даже без опыта В общем, вся инфа вот здесь — работа в кз https://vakansii.sitsen.kz Найдите нормальную работу Перешлите тому кто ищет работу

    Reply ↓
  9. Rabota v Kazahstane_dsoi

    Слушайте внимательно То график убийственный Работодатели только время тратят Короче, реально рабочий вариант — трудоустройство в Казахстане официальное Берут даже без опыта В общем, там все вакансии — ищу работу в казахстане https://vakansii.sitsen.kz Не сидите без денег Перешлите тому кто ищет работу

    Reply ↓
  11. Rabota v Kazahstane_raoi

    Слушайте внимательно Вечно то зарплата копейки Объездил кучу сайтов Короче, единственный где есть нормальные предложения — вакансии в Казахстане с ежедневной оплатой Проживание и питание часто включены В общем, смотрите сами по ссылке — сайты поиска работы в казахстане сайты поиска работы в казахстане Не сидите без денег Перешлите тому кто ищет работу

    Reply ↓
  12. Bartsit

    Closed the laptop and walked away thinking about the post for a good twenty minutes, and a stop at signalshapesprogress produced similar lingering thoughts, content that survives the closing of the browser tab is content that has actually entered the mind rather than just decorating the screen for the duration of the reading.

    Reply ↓
  13. vavada_wqMl

    Гемблеры отзовитесь То выплаты задерживают Денег слил на всяком говне Короче, нашел наконец толковое казино — vavada casino с крутыми бонусами Вывод денег за 5 минут В общем, смотрите сами по ссылке — vavada casino официальный сайт vavada casino официальный сайт Только вавада реально рулит Перешлите тому кто тоже ищет нормальное казино

    Reply ↓
  15. Rabota v Kazahstane_twoi

    Всем привет из КЗ Вечно то зарплата копейки Везде одно и то же Короче, нашел отличный сайт — трудоустройство в Казахстане официальное График удобный В общем, смотрите сами по ссылке — ищу работу в казахстане https://vakansii.sitsen.kz Не сидите без денег Перешлите тому кто ищет работу

    Reply ↓
  16. Rabota v Kazahstane_dkoi

    Народ кто ищет работу То вообще без опыта не берут Везде одно и то же Короче, единственный где есть нормальные предложения — сайт работы в Казахстане с актуальными вакансиями Берут даже без опыта В общем, там все вакансии — поиск работы в казахстане https://vakansii.sitsen.kz Не сидите без денег Перешлите тому кто ищет работу

    Reply ↓
  17. RandallInfig

    Now recognising that this site has earned a place in the small group of resources I treat as authoritative, and a stop at heritagealliance 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 ↓
  18. RolandoKep

    Speaking as someone who reads a lot on this topic this site has earned a high position in my source rankings, and a stop at capitalunityflow reinforced that ranking, the informal ranking of sources for a topic is something I maintain mentally and this site has moved into the upper portion of those rankings clearly.

    Reply ↓
  19. DonnyOpins

    Reading this prompted a small redirection in something I was working on, and a stop at firmusbond extended that redirecting influence, content that affects my actual work rather than just my thinking has the highest practical impact and this site is providing that level of influence for me at a sustainable rate apparently.

    Reply ↓
  21. GavinKiz

    Now feeling the quiet pleasure of finding writing that takes itself seriously without being self serious, and a stop at growthmovesintentionally extended that subtle pleasure, the gap between earnest and pretentious is fine and this site has clearly chosen to land on the earnest side without slipping over into pretentious which is impressive.

    Reply ↓
  22. LeeBaF

    Worth saying that this is one of the better things I have read on the topic in months, and a stop at smartzone reinforced that ranking, the topic is well covered by many sources but few do it with this level of care and the few that do deserve to be flagged so other readers can find them.

    Reply ↓
  23. Arthursuery

    Now recognising the editorial wisdom of letting some questions remain open at the end, and a look at ideasfinddirection continued that intellectual honesty, content that does not force closure on contested questions is content that respects the limits of knowledge and this site has clearly developed the maturity to know when to leave space.

    Reply ↓
  24. Rabota v Kazahstane_hkoi

    Слушайте внимательно А жить на что-то надо Везде одно и то же Короче, реально рабочий вариант — вакансии в Казахстане с ежедневной оплатой Проживание и питание часто включены В общем, там все вакансии — вакансии кз https://vakansii.sitsen.kz Не сидите без денег Перешлите тому кто ищет работу

    Reply ↓
  25. Rabota v Kazahstane_nooi

    Слушайте внимательно А жить на что-то надо Объездил кучу сайтов Короче, нашел отличный сайт — работа в Казахстане с высокой зарплатой Зарплаты реальные В общем, смотрите сами по ссылке — работа вахтовым методом в казахстане для женщин https://vakansii.sitsen.kz Не сидите без денег Перешлите тому кто ищет работу

    Reply ↓
  26. Rabota v Kazahstane_xaoi

    Всем привет из КЗ Замучился я уже искать нормальную работу Везде одно и то же Короче, реально рабочий вариант — вакансии в Казахстане с ежедневной оплатой Проживание и питание часто включены В общем, смотрите сами по ссылке — работа вахтовым методом в казахстане для мужчин работа вахтовым методом в казахстане для мужчин Не сидите без денег Перешлите тому кто ищет работу

    Reply ↓
  28. Javonflees

    Felt the post handled a sensitive angle of the topic with appropriate care, and a look at sharedfuturebond extended that careful handling across related material, sites that can navigate delicate territory without causing damage are rare and require a level of judgement that comes from experience rather than from following any clear playbook.

    Reply ↓
  29. vavada_zmMl

    Народ кто в теме Задолбался я уже искать нормальное казино Искал долго, перепробовал кучу вариантов Короче, нашел наконец толковое казино — вавада казино онлайн лучший выбор Всё летает как часы В общем, жмите чтобы не потерять — vavada vavada Только вавада реально рулит Перешлите тому кто тоже ищет нормальное казино

    Reply ↓
  34. Patrickgeack

    Thanks for the readable length, I finished it without checking how much was left, and a stop at focusbuildspathways kept me reading the same way, when I stop noticing the length of a piece because the content is engaging enough to sustain attention without willpower the writer has done their job well today.

    Reply ↓
  35. Rabota v Kazahstane_ijoi

    Всем привет из КЗ То вообще без опыта не берут Работодатели только время тратят Короче, единственный где есть нормальные предложения — работа в Казахстане с высокой зарплатой Оплата вовремя В общем, сохраняйте себе — как искать работу в казахстане как искать работу в казахстане Найдите нормальную работу Перешлите тому кто ищет работу

    Reply ↓
  38. Rabota v Kazahstane_gzoi

    Всем привет из КЗ Вечно то зарплата копейки Везде одно и то же Короче, единственный где есть нормальные предложения — трудоустройство в Казахстане официальное График удобный В общем, жмите чтобы не потерять — работа в казахстане вахтовым методом https://vakansii.sitsen.kz Не сидите без денег Перешлите тому кто ищет работу

    Reply ↓
  39. vavada_pnMl

    Народ кто в теме Вечно то лаги Нервов потратил — мама не горюй Короче, единственное где не кидают — вавада казино онлайн лучший выбор Фриспины и акции каждый день В общем, сохраняйте себе — вавада казино онлайн официальный сайт вавада казино онлайн официальный сайт Только вавада реально рулит Перешлите тому кто тоже ищет нормальное казино

    Reply ↓
  40. Ernestoboola

    Now organising my browser bookmarks to give this site easier access, and a look at ideascreatevelocity earned the same organisational priority, the small acts of digital housekeeping I do for sites I expect to use often are themselves a measure of trust and this site has triggered the trust based housekeeping behaviour from me clearly.

    Reply ↓
  41. Ernestoburdy

    Now feeling confident that this site will continue producing work I will want to read, and a look at actionpathway extended that confidence into the future, projecting forward from current quality to expected future quality is something I do for sites I genuinely follow and this one has earned that forward looking trust clearly today.

    Reply ↓
  42. Hermansiz

    Without comparing too aggressively to other sources this one stands out for the right reasons, and a look at motionguidance continued that distinctive quality, content that distinguishes itself through substance rather than style tricks is content with lasting differentiation and this site has clearly chosen substance based differentiation as its core editorial strategy.

    Reply ↓
  43. LanceHal

    Thanks for the clean writing, no broken sentences and no awkward translations like some other sites have, and a quick stop at unifiedtrusthub kept that polish going nicely, it really does make a difference when a reader can move through a page without tripping on every line or going back to reread.

    Reply ↓
  44. Rudolphrex

    Now appreciating the small but real way this post improved my afternoon, and a stop at capitalbridge extended that small improvement effect, content that produces measurable positive impact on the texture of a reading day is content with real value and this site is producing those small positive impacts at a sustainable rate apparently.

    Reply ↓
  45. BradFah

    Reading this prompted me to clean up some old notes related to the topic, and a stop at foundationlynx extended that organising urge, content that triggers personal organisation rather than just consuming attention is content with motivating energy and this site has the kind of clarity that prompts active follow up rather than passive consumption.

    Reply ↓
  46. AndrenIB

    Thanks for the breakdown, it gave me a clearer picture of something I had been confused about for a while now, and a stop at directionamplifiesgrowth closed the remaining gaps in my understanding nicely, no need to hunt around twenty other articles to put the pieces together which is a real time saver.

    Reply ↓
  47. Issacpam

    Now appreciating that I did not feel exhausted after reading, and a stop at focussetsdirection extended that energising quality, content that leaves me with more attention than it consumed is rare and the gap between draining and energising content is real over the course of a typical day spent reading widely online.

    Reply ↓
  48. TobyDew

    Appreciated how the writer anticipated the questions a reader might have along the way, and a stop at capitalties continued that thoughtful approach, you can tell when content has been edited with the reader in mind versus just published as a first draft and this is clearly the former approach across what I read.

    Reply ↓
  49. MarioNuh

    Well done, the writing is professional without being stiff, and the topic is treated with care, and a look at focusamplifiesmotion reflected that approach, the kind of site I would point a colleague to if they asked for a reliable starting point on this topic in the future without any hesitation at all.

    Reply ↓

Leave a Reply

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