Niagara实现procedural浪花

8,732 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：

8,732 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  2. zakazat kyhnu_ltMr

    Ребята всем привет. Объездил полгорода салонов — везде перекупы. То фасады перекошены. Короче, реальное производство в Питере — купить готовую кухню в спб с фурнитурой. Цены ниже чем в магазинах тысяч на 50. В общем, сохраняйте — купить кухню в спб от производителя https://zakazat-kuhnyu-qwe.ru Не ведитесь на салоны. Сам мучался теперь знаю.

    Reply ↓
  3. WendellCit

    A piece that built up gradually rather than front loading its main points, and a look at flankhaven maintained the same gradual structure, content that trusts the reader to reach conclusions through accumulating reasoning is more persuasive than content that announces conclusions and then defends them and this site uses the persuasive approach.

    Reply ↓
  5. JamelSuera

    Skipped to a specific section because I knew that was the question I had, and the answer was clean, and a stop at unicorntempo similarly delivered targeted answers without burying them, content engineered for readers who arrive with specific needs rather than open ended browsing is increasingly valuable in a search heavy reading environment.

    Reply ↓
  6. kyhni SPb_wlEr

    Здорова, народ Продаваны врут про материалы То сроки по полгода обещают Короче, единственные кто не наваривается в тридорога — заказ кухни с доставкой и сборкой Сделали за три недели как обещали В общем, жмите чтобы не потерять контакт — кухни спб https://kuhni-spb-wxh.ru Не ведитесь на салоны в ТЦ которые просто заказывают у китайцев и ставят наценку 100% Перешлите тому кто тоже мучается выбором

    Reply ↓
  7. Kentonsnisa

    Bookmark earned and shared the link with one specific person who would care, and a look at teapotshrine got the same targeted share, sharing carefully rather than broadcasting is a discipline I try to maintain and this site is generating shares from me at a sustainable rate rather than the spam rate of viral content.

    Reply ↓
  8. zakazat kyhnu_wfkl

    Ребята всем привет. Цены космос а качество мыло. То ЛДСП 16 мм а не 18. Короче, реальный цех в СПб без наценок — заказать кухню без посредников. Фасады на выбор из 50 цветов. В общем, там цены и примеры работ — купить готовую кухню в спб купить готовую кухню в спб Проверяйте производителя по этому списку. Перешлите другу кто тоже мучается.

    Reply ↓
  9. RodolfoStooR

    Bookmark earned and shared the link with one specific person who would care, and a look at surgesorrel got the same targeted share, sharing carefully rather than broadcasting is a discipline I try to maintain and this site is generating shares from me at a sustainable rate rather than the spam rate of viral content.

    Reply ↓
  10. kyhni SPb_fiEr

    Всем привет из Питера Цены космос а качество мыло То фасады кривые с зазорами Короче, реальные ребята с цехом в СПб — заказ кухни с доставкой и сборкой Цены ниже чем в салонах тысяч на 30-40 В общем, сохраняйте себе в закладки — кухни под заказ https://kuhni-spb-wxh.ru Не ведитесь на салоны в ТЦ которые просто заказывают у китайцев и ставят наценку 100% Сам столько нервов потратил теперь делюсь опытом

    Reply ↓
  11. DouglasOpton

    Bookmark earned, share earned, return visit earned, all from one reading session, and a look at kelpgrip 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 ↓
  12. zakazat kyhnu_ajkl

    Питерцы отзовитесь. Фурнитуру ставят дешманскую которая через год клинит. То ЛДСП 16 мм а не 18. Короче, нашел нормальных производителей — купить готовую кухню в спб с фурнитурой. Фасады на выбор из 50 цветов. В общем, смотрите сами по ссылке — где лучше купить кухню в спб где лучше купить кухню в спб Проверяйте производителя по этому списку. Сам полгода выбирал теперь знаю.

    Reply ↓
  14. kyhni SPb_prEr

    Всем привет из Питера Замучился я уже кухню выбирать То ЛДСП 16 мм а не 18 Короче, реальные ребята с цехом в СПб — заказ кухни с доставкой и сборкой Фасады из влагостойкого МДФ 19 мм В общем, жмите чтобы не потерять контакт — кухня по индивидуальному проекту https://kuhni-spb-wxh.ru Проверяйте производителя по этому списку Перешлите тому кто тоже мучается выбором

    Reply ↓
  15. zakazat kyhnu_xpkl

    Питерцы отзовитесь. Замучился я уже кухню искать. То кромка кривая через раз. Короче, реальный цех в СПб без наценок — купить готовую кухню в спб с фурнитурой. Цены ниже рыночных на треть. В общем, сохраняйте в закладки — купить кухню производителя в спб купить кухню производителя в спб Проверяйте производителя по этому списку. Перешлите другу кто тоже мучается.

    Reply ↓
  16. zakazat kyhnu_ysOn

    Народ привет. То размеры не стандарт и впихнуть не могу. Пересмотрел ютуб с отзывами — голова пухнет. Короче, нашел наконец нормальный вариант — купить кухню от производителя в спб с доставкой. Замерщик приехал на следующий день. В общем, там каталог и цены и отзывы реальные — купить заказать кухню https://zakazat-kuhnyu-gkl.ru Не ведитесь на салоны-прокладки с наценкой в два раза. Перешлите тому кто тоже кухню ищет.

    Reply ↓
  19. Bernardpywow

    Honestly impressed by the consistency of voice across what I have read so far, and a quick visit to gausskite continued that consistent feel, when a site reads like one careful person rather than a committee the experience is more rewarding for the reader who notices these subtle editorial details over time.

    Reply ↓
  22. zakazat kyhnu_ipMr

    Ребята всем привет. Заколебался я уже выбирать. То ручки через месяц шатаются. Короче, мужики с руками из правильного места — заказать кухню без посредников. Сделали за три недели. В общем, смотрите сами по ссылке — заказать кухню заказать кухню Проверяйте по этому списку. Сам мучался теперь знаю.

    Reply ↓
  23. kyhni SPb_ycpn

    Приветствую Цены задрали как на золото То ручки отваливаются через месяц Короче, мужики с руками из нужного места — кухни на заказ по индивидуальным размерам Проект бесплатно за час В общем, смотрите сами по ссылке — купить кухню в спб от производителя купить кухню в спб от производителя Проверяйте производителя по этому списку Сам полгода выбирал теперь знаю

    Reply ↓
  24. kyhni SPb_pgpn

    Здорова, Питер Менеджеры врут направо и налево То ручки отваливаются через месяц Короче, нашел наконец нормальную контору — заказать кухню с фурнитурой Blum Проект бесплатно за час В общем, там цены и каталог работ — кухни от производителя спб https://kuhni-spb-fpk.ru Не ведитесь на салоны-прокладки с наценкой 100% Перешлите тому кто тоже мучается

    Reply ↓
  25. Samuelwat

    Honest assessment is that this is one of the better short reads I have had this week, and a look at flankisle reinforced that, the bar for short content is low because most of it sacrifices substance for brevity but this site manages both at once which is harder than it sounds for most writers attempting it.

    Reply ↓
  26. zakazat kyhnu_pjMr

    Ребята всем привет. Цены задрали как на золото. То фасады перекошены. Короче, мужики с руками из правильного места — купить кухню в спб с доставкой. Цены ниже чем в магазинах тысяч на 50. В общем, жмите чтобы не потерять — купить кухню спб https://zakazat-kuhnyu-qwe.ru Проверяйте по этому списку. Сам мучался теперь знаю.

    Reply ↓
  27. KirkVob

    Found this through a friend who recommended it and now I see why, and a look at gooseholm 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 ↓
  28. zakazat kyhnu_odMr

    Народ кто в Питере живет. Обещают одно а по факту другое. То ДСП сыпется. Короче, нашел наконец нормальную контору — купить кухню в спб с доставкой. Замер на следующий день. В общем, вся инфа вот здесь — заказать кухню заказать кухню Проверяйте по этому списку. Перешлите кому надо.

    Reply ↓
  30. kyhni SPb_wvpn

    Приветствую Задолбался я уже кухню искать То доставку три месяца ждать Короче, мужики с руками из нужного места — заказ кухни с установкой Сделали за три недели как обещали В общем, там цены и каталог работ — кухни от производителя спб https://kuhni-spb-fpk.ru Не ведитесь на салоны-прокладки с наценкой 100% Сам полгода выбирал теперь знаю

    Reply ↓
  32. OmarbRoms

    Considered as a whole this site has developed a coherent point of view that comes through in individual pieces, and a look at swiftswallow continued displaying that coherence, sites with a unified perspective rather than a grab bag of takes are sites with editorial maturity and this one has clearly developed that maturity through years of work.

    Reply ↓
  33. kyhni SPb_mjOt

    Слушайте кто ремонт затеял Оббегал все салоны в городе — везде одно и то же То доставку три месяца ждать Короче, единственные кто делает совестливо — кухни на заказ с доставкой и сборкой Цены ниже рыночных на треть В общем, сохраняйте в закладки — кухня на заказ спб от производителя недорого кухня на заказ спб от производителя недорого Проверяйте производителя по этому списку Сам полгода выбирал теперь знаю

    Reply ↓
  34. Rolandouphor

    Came away with a slightly better mental model of the topic than I started with, and a stop at gulfholm sharpened that further, content that improves the reader thinking apparatus rather than just dumping facts into it is the rare kind I genuinely value and seek out when I have time to read carefully.

    Reply ↓
  35. kyhni SPb_doSn

    Народ всем привет Прошерстил 30 салонов — везде перекупы То ДСП сыпется Короче, нашел наконец нормальную контору — заказать кухню с доставкой Цены ниже чем в магазинах на 50 тысяч В общем, там цены и каталог работ — кухни спб на заказ кухни спб на заказ Не ведитесь на салоны-прокладки с наценкой 200% Сам полгода выбирал теперь знаю

    Reply ↓
  36. Davonrob

    Now appreciating that the post did not require me to agree with the writer to find it valuable, and a look at frondketo maintained the same useful regardless of agreement quality, content that informs even when it does not convince is content with broader utility and this site reads as useful even when I disagree.

    Reply ↓
  38. Eddieoveri

    Thanks for not padding this with the usual filler intros and outros that every other blog seems to require, and a quick visit to shoresyrup continued that lean approach across more posts, content stripped of waste is content that respects you and I will always come back to that kind of approach.

    Reply ↓
  39. OscarTaulk

    More substantial than most of what I find searching for this topic online, and a stop at shamrockswan kept that quality consistent, this is one of those sites where the writing actually rewards careful reading rather than punishing the patient reader with empty filler stretched out across long paragraphs that say very little.

    Reply ↓
  41. IsaiahMog

    Thanks for the clean writing, no broken sentences and no awkward translations like some other sites have, and a quick stop at shoreskipper 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 ↓
  43. zakazat kyhnu_wbOn

    Слушайте кто делал ремонт. То доставку ждать три месяца. Икею всю излазил — не то. Короче, нашел наконец нормальный вариант — купить заказать кухню по индивидуальным размерам. Фурнитура Blum а не говно. В общем, сохраняйте себе в закладки — купить кухню в спб от производителя https://zakazat-kuhnyu-gkl.ru Не ведитесь на салоны-прокладки с наценкой в два раза. Сам полгода мучился теперь делюсь.

    Reply ↓
  44. Vaughnfleem

    Found this really helpful, the explanations are simple but they actually answer the questions a normal reader would have, and after I followed vitalsnippet I had a clearer sense of the topic, no extra fluff just useful points laid out in a sensible order that made the time worth it.

    Reply ↓
  45. zakazat kyhnu_emOn

    Ребята всем привет. То доставку ждать три месяца. Объездил уже кучу салонов — тьфу. Короче, реальные производители с совестью — купить кухню спб с установкой. Сделали за три недели. В общем, там каталог и цены и отзывы реальные — купить кухню спб https://zakazat-kuhnyu-gkl.ru Не ведитесь на салоны-прокладки с наценкой в два раза. Сам полгода мучился теперь делюсь.

    Reply ↓
  46. zakazat kyhnu_muOn

    Слушайте кто делал ремонт. Вечно то цены конские у дилеров. Объездил уже кучу салонов — тьфу. Короче, единственные кто не наебывает — заказать кухню напрямую у производителя. Фурнитура Blum а не говно. В общем, сохраняйте себе в закладки — купить кухню в спб от производителя https://zakazat-kuhnyu-gkl.ru Не ведитесь на салоны-прокладки с наценкой в два раза. Перешлите тому кто тоже кухню ищет.

    Reply ↓
  47. Carmelotow

    Liked that there was nothing performative about the writing, and a stop at gemglobe continued that genuine quality, performative writing tries to be witnessed rather than read and the difference between performance and substance is huge for the careful reader and this site has clearly chosen substance every time clearly.

    Reply ↓
  50. kyhni SPb_byoa

    Ребята кто в Питере Задолбался я уже выбирать То фасады кривые Короче, реальные ребята с цехом в СПб — заказать кухню с фурнитурой Blum Кромка на немецком оборудовании В общем, сохраняйте себе в закладки — заказать кухню в спб по индивидуальному проекту https://kuhni-spb-uio.ru Проверяйте производителя по этому списку Перешлите тому кто тоже мучается

    Reply ↓

Leave a Reply

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