Niagara实现procedural浪花

8,721 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：

8,721 thoughts on “Niagara实现procedural浪花”

  1. Morganjen

    Refreshing tone compared to the dry corporate posts on similar topics, and a stop at ironkudos carried that personality through nicely, you can tell when a real person is behind the writing versus a content team chasing metrics and this site definitely falls into the former category clearly across what I have seen.

    Reply ↓
  2. kyhni SPb_ikEr

    Салют, земляки Замучился я уже кухню выбирать То кромка отклеивается через месяц Короче, нашел наконец нормальное производство — кухни СПб напрямую от производителя Сделали 3D-проект бесплатно за час В общем, смотрите сами по ссылке — кухни на заказ в санкт-петербурге 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 ↓
  4. Nedswida

    A memorable post for me on a topic I had thought I was tired of, and a look at gorgefair suggested the same site can refresh other tired topics, sites that can revive my interest in subjects I had written off as exhausted are doing rare work and this one is clearly doing that for me today.

    Reply ↓
  5. RaymondVurse

    Reading this in the gap between work projects was a small but meaningful break, and a stop at flankivory extended that gentle reset, content that provides genuine refreshment rather than just distraction during work breaks is content with a particular kind of utility and this site fits that role for me reliably during work days.

    Reply ↓
  8. WilsonCor

    Just wanted to say this was useful and leave a small note of thanks, and a quick visit to taffetaswan earned a similar nod from me, the small acknowledgements add up over time and represent the real economy of trust that good content runs on across the open and increasingly fragmented modern internet.

    Reply ↓
  9. RodolfoLew

    Really like that there are no exclamation marks or all caps shouting throughout the post, and a quick visit to summitshire maintained the same calm voice, restraint in punctuation signals confidence in the content and this site clearly trusts its substance to do the persuading rather than relying on typographic emphasis.

    Reply ↓
  11. Kaibic

    Took something from this I did not expect to find, and a stop at fumefig added another unexpected useful piece, content that exceeds expectations rather than just meeting them is the kind that builds enthusiasm and earns repeat visits without any explicit ask from the writer or platform behind the work being read.

    Reply ↓
  12. HarlanSeark

    Reading this slowly and letting each paragraph land before moving on, and a stop at sofatavern earned the same patient approach, content that rewards slow reading rather than speed is content with real density and the writers here are clearly producing work that benefits from the careful eye rather than the rushed scan.

    Reply ↓
  13. kyhni SPb_xmOt

    Ребята всем привет Замучился я уже кухню искать То доставку три месяца ждать Короче, нашел нормальных производителей — купить кухню в спб от производителя недорого Фасады на выбор из 50 цветов В общем, сохраняйте в закладки — прямые кухни на заказ от производителя https://kuhni-spb-ytr.ru Не ведитесь на салоны-прокладки с накруткой Перешлите другу кто тоже мучается

    Reply ↓
  14. JordanCaf

    Generally I find the content on similar topics frustrating in specific ways and this post avoided all of them, and a look at islegoal continued that frustration free experience, content that sidesteps the standard failure modes of its genre is content with editorial awareness and this site has clearly studied what fails elsewhere consistently.

    Reply ↓
  15. kyhni SPb_xkoa

    Слушайте кто кухню недавно заказывал Цены космос а качество мыло То ДСП крошится Короче, реальные ребята с цехом в СПб — заказ кухни с доставкой и сборкой Фасады из влагостойкого МДФ 19 мм В общем, вся инфа вот здесь — купить кухню https://kuhni-spb-uio.ru Не ведитесь на салоны в ТЦ Перешлите тому кто тоже мучается

    Reply ↓
  16. Travisrom

    The post made the topic feel approachable without making it feel trivial, that is a fine balance, and a stop at genieframe maintained the same balance, finding the middle ground between welcoming and serious is genuinely difficult and the writers here have clearly figured out how to consistently hit it well across many different posts.

    Reply ↓
  17. kyhni SPb_ppSn

    Слушайте кто недавно кухню делал Качество пластилин То фасады перекошены Короче, реальное производство в Питере — кухни на заказ в спб с фурнитурой Blum Цены ниже чем в магазинах на 50 тысяч В общем, жмите чтобы не потерять — кухни на заказ спб кухни на заказ спб Проверяйте производителя по этому списку Сам полгода выбирал теперь знаю

    Reply ↓
  19. kyhni SPb_rioa

    Слушайте кто кухню недавно заказывал Прошерстил кучу салонов — везде перекупы То кромка отклеивается через месяц Короче, единственные кто не наваривается в тридорога — кухни СПб от производителя напрямую Замерщик приехал на следующий день В общем, жмите чтобы не потерять контакты — изготовление кухонь на заказ в санкт петербурге https://kuhni-spb-uio.ru Проверяйте производителя по этому списку Перешлите тому кто тоже мучается

    Reply ↓
  20. kyhni SPb_boSn

    Слушайте кто недавно кухню делал Замучился я уже кухню выбирать То фасады перекошены Короче, мужики с руками из правильного места — кухни на заказ под ключ Сделали за три недели как обещали В общем, сохраняйте в закладки — заказ кухни заказ кухни Проверяйте производителя по этому списку Сам полгода выбирал теперь знаю

    Reply ↓
  21. kyhni SPb_neoa

    Люди помогите советом Цены космос а качество мыло То ДСП крошится Короче, единственные кто не наваривается в тридорога — купить кухню в спб от производителя недорого Сделали за три недели как обещали В общем, вся инфа вот здесь — кухни на заказ питер https://kuhni-spb-uio.ru Не ведитесь на салоны в ТЦ Сам столько нервов потратил теперь делюсь

    Reply ↓
  22. kyhni SPb_alOt

    Слушайте кто ремонт затеял Менеджеры врут про сроки и материалы То фасады покоробились от пара Короче, единственные кто делает совестливо — заказ кухни с установкой под ключ Фасады на выбор из 50 цветов В общем, жмите чтобы не потерять — кухни на заказ в спб от производителя кухни на заказ в спб от производителя Не ведитесь на салоны-прокладки с накруткой Сам полгода выбирал теперь знаю

    Reply ↓
  23. Angelzef

    Really clear writing, the kind that makes you want to share the link with someone who has been asking about the topic, and a quick browse through thisdomainisdishk only made me more sure of that, the information here stays useful long after the first read is done which says a lot.

    Reply ↓
  24. kyhni SPb_zeSn

    Народ всем привет Цены задрали как на золото То ручки через месяц шатаются Короче, мужики с руками из правильного места — кухни СПб от производителя без посредников Сделали за три недели как обещали В общем, жмите чтобы не потерять — кухни спб на заказ кухни спб на заказ Проверяйте производителя по этому списку Сам полгода выбирал теперь знаю

    Reply ↓
  25. kyhni SPb_xtOt

    Ребята всем привет Цены космос а качество мыло То доставку три месяца ждать Короче, реальный цех в СПб без наценок — заказать кухню по индивидуальным размерам Кромка ПВХ 2 мм немецкая В общем, смотрите сами по ссылке — кухни под заказ в спб https://kuhni-spb-ytr.ru Не ведитесь на салоны-прокладки с накруткой Сам полгода выбирал теперь знаю

    Reply ↓
  26. Leonardplext

    Thanks for putting this online without locking it behind email signups or paywalls, and a quick visit to gorgeheron kept that open feel going, content that trusts the reader to come back rather than gating access is the kind of approach I will reward with regular return visits over time happily.

    Reply ↓
  27. kyhni SPb_uuEr

    Салют, земляки Цены космос а качество мыло То фасады кривые с зазорами Короче, нашел наконец нормальное производство — кухни в спб от производителя из массива Сделали за три недели как обещали В общем, сохраняйте себе в закладки — кухни на заказ в спб цены https://kuhni-spb-wxh.ru Проверяйте производителя по этому списку Перешлите тому кто тоже мучается выбором

    Reply ↓
  28. LorenzoRon

    Felt the writer was speaking my language without trying to imitate it, and a look at flaskkelp continued that natural fit, when a writers default voice happens to match what you find easy to read the experience feels frictionless and that is something I notice and remember about specific sites going forward.

    Reply ↓
  29. Knoxnak

    Found the post genuinely useful for something I was working on this week, and a look at kelpherb 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 ↓
  32. kyhni SPb_goEr

    Доброго времени Прошерстил кучу салонов — везде одни перекупы То фасады кривые с зазорами Короче, нашел наконец нормальное производство — купить кухню в спб от производителя с установкой Цены ниже чем в салонах тысяч на 30-40 В общем, смотрите сами по ссылке — кухня на заказ кухня на заказ Проверяйте производителя по этому списку Перешлите тому кто тоже мучается выбором

    Reply ↓
  34. kyhni SPb_ipEr

    Здорова, народ Прошерстил кучу салонов — везде одни перекупы То кромка отклеивается через месяц Короче, нашел наконец нормальное производство — заказ кухни с доставкой и сборкой Фасады из влагостойкого МДФ 19 мм В общем, там каталог с ценами и реальные отзывы — кухня на заказ кухня на заказ Не ведитесь на салоны в ТЦ которые просто заказывают у китайцев и ставят наценку 100% Перешлите тому кто тоже мучается выбором

    Reply ↓
  38. Shermanfep

    Now wishing I had found this site sooner, and a look at safaritriton extended that mild regret, the calculation of how many years of good content I missed by not finding the right sources earlier is one I try not to make too often but it does come up sometimes when I find sites this good.

    Reply ↓
  40. Brockgak

    Great work on keeping things readable, the post never drags or repeats itself which I really appreciate, and a stop at gulfkoala added a bit more context that fit naturally with what was already said here, no need to read everything twice to get the point being made today.

    Reply ↓
  41. ForrestGug

    Felt the writer was speaking my language without trying to imitate it, and a look at stencilveto continued that natural fit, when a writers default voice happens to match what you find easy to read the experience feels frictionless and that is something I notice and remember about specific sites going forward.

    Reply ↓
  47. JadenThics

    Came away with a small but real shift in perspective on the topic, and a stop at velourturban pushed that shift a bit further, the kind of subtle reframing that good writing does to a reader without making a big deal of it is something I always appreciate when it happens which is sadly not that often.

    Reply ↓
  48. RaymondGah

    Really grateful for content like this, it does not waste my time and it does not insult my intelligence either, and a quick look at jadeflax was the same, balanced respectful writing that makes a person feel welcome rather than rushed through pages of forced engagement just to keep clicking around.

    Reply ↓
  50. Javonlah

    Walked away with a clearer head than I had before reading this, and a quick visit to fumefinch only sharpened that, the writing has a way of cutting through the noise that surrounds most topics online which is something I will definitely remember the next time I am searching for an answer to anything.

    Reply ↓

Leave a Reply

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