Niagara实现procedural浪花

『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:

8,541 thoughts on “Niagara实现procedural浪花

  1. Colbyasymn

    Found the section structure particularly thoughtful, and a stop at serifsorbet suggested the same care across the broader site, structural choices guide the reader through the material in ways most people do not consciously notice but feel the absence of when those choices are made carelessly or not at all.

    Reply
  2. Danton

    A piece that ended with a clean landing rather than fading out, and a look at vyxarc maintained the same crisp conclusions, endings that resolve rather than dissolve are a sign of careful structural thinking and this site has clearly invested in how its pieces conclude rather than letting them simply run out of energy.

    Reply
  3. alkoholizem_pukr

    Dolga leta sem se boril sam. Potem pa sem izvedel za center in vse se je začelo obračati na bolje. Govorim o zdravljenju alkoholizma pri strokovnjakih, ki res znajo pomagati. Veste, ni lahko, ampak se da premagati. In kar je najpomembneje – lahko ostanete doma. Več o tem in o izkušnjah pacientov si lahko preberete neposredno na uradnem viru: Dr Vorobjev http://www.zdravljenjealkoholizma.com. Zdaj sem že pol leta trezen in ponosen nase.

    Če vi ali kdo od vaših bližnjih potrebuje pomoč – najboljša odločitev je poklicati. Vse se da, če hočeš.

    Reply
  4. alkoholizem_sikr

    Res je težko priznati si, da rabiš pomoč. Potem pa sem dobil pravi nasvet in vse se je spremenilo. Govorim o zdravljenju alkoholizma pri strokovnjakih, ki res znajo pomagati. Veste, odvisnost od alkohola ni sramota. In kar je najpomembneje – ni treba v bolnišnico. Več o tem in o izkušnjah pacientov si lahko preberete neposredno na uradnem viru: Dr Vorobjev center zdravljenjealkoholizma.com. Meni so resnično pomagali.

    Če vi ali kdo od vaših bližnjih potrebuje pomoč – resnično priporočam. Vse se da, če hočeš.

    Reply
  5. FreddieCiday

    Really appreciate that the writer did not overstate the importance of the topic to make the post feel weightier, and a quick visit to nightorchardmerchantgallery maintained the same modest framing, content that is honest about its own scope rather than inflating itself is the kind I trust and return to repeatedly over time.

    Reply
  6. shkola onlain_rwoi

    Мамы и папы слушайте Учителя которые только оценками меряют Вечно больной и уставший Короче, реально удобный и простой — школа онлайн с лицензией и зачислением Учителя настоящие профи В общем, вся инфа вот здесь — уроки онлайн https://shkola-onlajn-bxf.ru Переходите на дистанционное обучение Перешлите другим родителям

    Reply
  7. JimGinny

    Now feeling slightly more committed to my own careful reading practices having read this, and a stop at reliableshoppinghub reinforced that commitment, content that models the kind of attention it deserves is content that calibrates the reader and this site has clearly raised my own bar for what to bring to good writing today.

    Reply
  8. Mikefup

    Really appreciate the absence of stock photos that have nothing to do with the content, and a quick visit to veilshrine maintained the same restraint, visual filler is a tell that the writing cannot stand on its own and the lack of it here suggests the team has confidence in their content quality alone.

    Reply
  9. alkoholizem_vbkr

    Dolga leta sem se boril sam. Potem pa sem naletel na eno mesto in vse se je postavilo na svoje mesto. Govorim o odvajanju od alkohola pri Dr Vorobjevu. Veste, ni lahko, ampak se da premagati. In kar je najpomembneje – program je prilagojen posamezniku. Več o tem in o izkušnjah pacientov si lahko preberete neposredno na uradnem viru: Dr Vorobjev center zdravljenjealkoholizma.com. Zdaj sem že pol leta trezen in ponosen nase.

    Če nekdo v vaši okolici se sooča s to težavo – najboljša odločitev je poklicati. Držim pesti!

    Reply
  10. shkola onlain_qcoi

    Кто устал от обычной школы Замучились мы с этой школой Ребёнок перегружен Короче, нашли отличный вариант — онлайн обучение для детей в любое время Никаких нервов В общем, жмите чтобы не потерять — образование дистанционное https://shkola-onlajn-bxf.ru Не мучайте себя и детей Перешлите другим родителям

    Reply
  11. shkola onlain_croi

    Народ у кого дети Замучились мы с этой школой Вечно больной и уставший Короче, школа где ребёнку комфортно — онлайн обучение для детей в любое время Уроки по расписанию который сам выбираешь В общем, сохраняйте себе — онлайн школы егэ https://shkola-onlajn-bxf.ru Переходите на дистанционное обучение Перешлите другим родителям

    Reply
  12. Devanteabula

    Honestly enjoyed not being sold anything for the entire duration of the post, and a look at floraridgevendoratelier kept that pleasant absence going across more pages, content that exists for its own sake rather than as a funnel to a paid product is increasingly rare and worth supporting where I can find it.

    Reply
  13. Rexendob

    Worth saying that the post fit naturally into a rhythm of careful reading, and a stop at lavenderharbormerchantgallery extended the same rhythm, content that pairs well with how I actually read rather than demanding a different mode is content well calibrated to its likely audience and this site has clearly thought about that consistently.

    Reply
  14. TylerFrirm

    Most blog writing on this subject reaches for the same handful of arguments and this post avoided them, and a look at opalmeadowcommercegallery continued the original treatment, content that finds its own path through territory other writers have flattened is content with real authorial energy and this site has plenty of that distinctive energy.

    Reply
  15. alkoholizem_mjon

    Zdravo, ljudje. Preizkusil sem že vse mogoče. Ko gre za ambulantno zdravljenje alkoholizma — ni šala. Prijatelj mi je priporočil en center, kjer imajo izkušnje. Govorim o zdravljenju po metodi dr. Vorobjeva. Več informacij je na voljo tu: Dr Vorobjev center http://www.alkoholizem-zdravljenje.com Po nekaj tednih sem začutil razliko. Prvi korak je vedno najtežji. Ampak ko enkrat najdeš pravo pomoč — vse postane lažje. Vsekakor priporočam vsem, ki se spopadajo s to težavo. Ne obupajte!

    Reply
  16. Cooperjit

    Worth recognising the absence of the usual blog tropes here, and a look at nightorchardartisanexchange continued that fresh quality, sites that avoid the standard moves of the medium read as more original even when the content is on familiar topics and this one has clearly chosen its own path through the conventional terrain skilfully.

    Reply
  17. Aidandak

    Now feeling the rare pleasure of trusting a source completely on first encounter, and a look at goodshubonline extended that initial trust into something more durable, the calibration of trust to evidence is something I do informally and this site has earned high trust through the cumulative weight of multiple consistently good posts already.

    Reply
  18. Lawsonmic

    Felt a small spark of recognition when the post named something I had been struggling to articulate, and a look at goldencovecraftcollective produced more such moments, the rare service of giving readers language for fuzzy intuitions is one of the higher values that good writing can provide and this site offered several today instances.

    Reply
  19. Stanleynom

    Stands apart from similar pages by actually being useful, that is high praise these days, and a look at driftwillowcommercegallery 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
  20. JeromeFag

    Reading this back to back with a similar piece elsewhere made the quality difference obvious, and a stop at orchardharborcraftcollective only widened the gap, comparing content side by side is a useful exercise and the gap between this site and average competitors in the space is large enough to be noticeable from the first paragraph.

    Reply
  21. gryzopodemnoe oborydovanie_ttOa

    Предприниматели отзовитесь Обещают сертификаты а по факту Китай То тельферы клинят Короче, нашел нормальных производителей — грузоподъемное оборудование купить с сертификатами Цены ниже чем у перекупов на 20% В общем, жмите чтобы не потерять — оборудование для склада и производства https://tal-elektricheskaya.ru Не ведитесь на дешевые предложения Перешлите тому кто ищет оборудование

    Reply
  22. Chadanows

    Now feeling something close to gratitude for the fact this site exists, and a look at storkumber extended that gratitude, the rare site that produces this kind of response is the rare site worth defending in conversations about whether the modern internet is still capable of producing genuinely valuable independent content for serious adults.

    Reply
  23. TerryHam

    A piece that took its time without dragging, and a look at rivercovecraftcollective kept the same patient pace, the difference between unhurried and slow is a fine editorial distinction and this site has clearly found the unhurried side without slipping into the slow side which would have lost me as a reader quickly otherwise.

    Reply
  24. gryzopodemnoe oborydovanie_cdOa

    Ребята у кого производство Обещают сертификаты а по факту Китай То вообще отгружают б/у под видом нового Короче, мужики которые реально делают качественно — грузоподъемное оборудование купить с сертификатами Доставили за неделю В общем, смотрите сами по ссылке — ручная лебедка купить https://tal-elektricheskaya.ru Проверяйте производителя по документам Перешлите тому кто ищет оборудование

    Reply
  25. gryzopodemnoe oborydovanie_irOa

    Предприниматели отзовитесь Цены космос а качество мыло То тали бракованные Короче, нашел нормальных производителей — грузоподъемное оборудование от производителя Доставили за неделю В общем, смотрите сами по ссылке — грузоподъемное оборудование Москва грузоподъемное оборудование Москва Не ведитесь на дешевые предложения Перешлите тому кто ищет оборудование

    Reply
  26. Barryhax

    Different feel from the algorithmically optimised posts that dominate the topic, and a stop at daheko reinforced that human touch, you can tell when a site is being run by someone who reads what they publish versus someone just hitting submit and moving on quickly to the next assignment without checking the result.

    Reply
  27. alkoholizem_ckon

    Pozdravljeni. Dolgo časa nisem vedel, kam naprej. Ko gre za odvajanje od alkohola — to je res težka zadeva. Prijatelj mi je pokazal en center, kjer imajo izkušnje. Govorim o Dr Vorobjev centru. Vse podrobnosti in izkušnje drugih ljudi najdete tukaj: Dr Vorobjev http://www.alkoholizem-zdravljenje.com Meni so res pomagali. Ni lahko priznati si, da imaš težavo. Ampak ko vidiš, da nisi sam — življenje dobi nov smisel. Več kot vredno je poskusiti. Srečno na tej poti!

    Reply
  28. WarrenRix

    Decided this was the kind of site I would defend in a discussion about good blog content, and a stop at jamsyx reinforced that, very few sites earn active defence rather than passive consumption and this one has clearly crossed that threshold for me without needing any explicit pitch from the writers themselves either.

    Reply
  29. Logancatte

    My friends would appreciate a few of these posts and I will be sending links accordingly, and a look at japarrow added more pages to my share queue, content that earns shares to specific people in specific contexts is content with social utility and this site is generating those targeted shares from me consistently lately.

    Reply
  30. ReggieGon

    Honest opinion is that this is the kind of post that builds long term trust with readers, and a look at tailorteal reinforced that perception, the slow accumulation of trust through consistent quality is the only sustainable way to build a real audience and this site is clearly playing that long game.

    Reply
  31. PorterROX

    Honestly enjoyed reading this more than I expected to when I first clicked through, and a stop at digitalbuyarena kept that pleasant surprise going, sometimes you stumble onto a site that just clicks with how you like to read and this is one of those for me right now today which is great.

    Reply
  32. BertramDamma

    Decided to read this site for a while before forming a verdict, and the verdict after several pages is positive, and a stop at haclex continued that pattern, judging a site requires more than one post and giving sites a fair sample is something I try to do for promising candidates rather than rushing to dismiss.

    Reply
  33. Calebmof

    Came back to this an hour later to reread a specific section, and a quick visit to helmkit also drew a second look, content that pulls you back rather than letting you move on permanently is the kind I want to fill my browser bookmarks with in 2026 and beyond as the open internet evolves.

    Reply
  34. RiverRag

    Found the section structure particularly thoughtful, and a stop at turbineunion suggested the same care across the broader site, structural choices guide the reader through the material in ways most people do not consciously notice but feel the absence of when those choices are made carelessly or not at all.

    Reply
  35. alkoholizem_woon

    Pozdravljeni. Preizkusil sem že vse mogoče. Ko gre za odvajanje od alkohola — veliko ljudi se muči v tišini. Prijatelj mi je svetoval en center, kjer res vedo, kaj delajo. Govorim o zdravljenju po metodi dr. Vorobjeva. Vse podrobnosti in izkušnje drugih ljudi najdete tukaj: Dr Vorobjev center https://www.alkoholizem-zdravljenje.com Meni so res pomagali. Ni lahko priznati si, da imaš težavo. Ampak ko dobiš strokovno podporo — vse postane lažje. Več kot vredno je poskusiti. Srečno na tej poti!

    Reply
  36. alkoholizem_elon

    Pozdravljeni. Preizkusil sem že vse mogoče. Ko gre za odvajanje od alkohola — veliko ljudi se muči v tišini. Prijatelj mi je svetoval en center, kjer ne obetajo nemogočega. Govorim o zdravljenju po metodi dr. Vorobjeva. Več informacij je na voljo tu: ambulantno zdravljenje alkoholizma alkoholizem-zdravljenje.com Po nekaj tednih sem začutil razliko. Ni lahko priznati si, da imaš težavo. Ampak ko vidiš, da nisi sam — vse postane lažje. Vsekakor priporočam vsem, ki se spopadajo s to težavo. Srečno na tej poti!

    Reply

Leave a Reply

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