Волны Герстнера в Unreal Engine 4

Создание симуляции водной поверхности через редактор шейдеров Unreal Engine 4

Сразу скажу, что пост рассчитан на людей, которые хоть немного знакомы с шейдерами (Material, Material Instance) и их базовыми функциями в UE4.

В этом посте я не буду подробно описывать создание шейдера воды, а только симуляцию волн.

Ну и вдобавок скажу, что я сам не особо то и профессионал, а просто студент, который в свободное время сидит и изучает движок, так что буду только рад, если кто-то укажет мне на ошибки (если они будут).

Волны Герстнера активно используют для симуляции воды в компьютерной графике. Их главным преимуществом является смещение вершин не только по оси Z (как у обычных синусоидальных волн), но и по осям X и Y, что собственно и создает достаточно реалистичные волны и не требует особой производительности.

В GPU Gems хорошо описывается вывод уравнений для этих волн, начиная с простой синусоидальной волны. С неё мы и начнем.

Для начала создаем и открываем Material Function, назовем его MF_GerstnerWave. Выделение волны в отдельную функцию позволит создать в материале воды несколько совмещенных волн, не захламляя при этом граф.

Вот такая функция для вычисления высоты нам дана на GPU Gems

Где

ω будем выводить через длину волны L (ω = 2 / L)

φ через скорость S и длину волны L (φ = S * (2 / L))

Для всего остального, кроме времени и координат вершины просто создадим входные параметры для функции.

Делаем промежуточные вычисления

Для самой функции вычисления высоты вершины я создам Custom HLSL ноду, в которую запишу формулу, потому что на мой взгляд так будет гораздо читабельнее и легче потом искать ошибки.

Вот так все должно в итоге выглядеть, в настройках Custom HLSL выставляем возвращаемый тип CMOT Float 1

Вот код Custom HLSL ноды, ничего сложного

Теперь создадим материал, в котором будем использовать нашу созданную функцию. В настройках материала нужно выставить параметр Flat Tesselation, чтобы мы могли использовать World Displacement

Вызываем нашу созданную функцию с парой параметров, чтобы их можно было редактировать через Material Instance и вот такой получится материал.

Натягиваем наш материал на какую-нибудь плоскость (желательно с большим количеством треугольников) и видим такой результат в режиме brush wireframe

У вас результат может быть другим, все зависит от настройки параметров в Material Instance.

В целом уже выглядит как достойный представитель водной поверхности, но на этом мы останавливаться не будем.

Как я уже говорил ранее, волны Герстнера определяют смещения не только на Z компоненту, но и по X, Y тоже. Это позволяет делать волны более «острыми», прямо как настоящие.

Для этого нам понадобиться ещё один входной параметр в нашу функцию MF_GerstnerWave — Steepness (крутизна).

Вот функция с GPU Gems

Как можно заметить, Z компонента получаемого вектора вычисляется той же формулой, что мы использовали для синусоидальной волны, поэтому нам остается вычислять только X и Y компоненты.

Добавляем в функцию новый входной параметр Steepness (Q) и ограничиваем его до отрезка [0, 1 / (w * A)], со значениями Q вне этого отрезка волны будут неправильной формы.

Вот наш переписанный код Custom HLSL ноды

Не забудьте поменять возвращаемый тип ноды на CMOT Float 3!

Ну и вот наша вся измененная функция

В материале не забываем добавить новый параметр Steepness

Смотрим на итоговый результат

Копируем функцию четыре раза, меняем названия параметров, складываем выходные данные и подключаем их в World Displacement

Вот конечный результат

Чаще всего совмещают 4-12 волн (12 на океан, 4-8 на озеро, например)

Если нам вдруг понадобятся нормали (например для создания фейкового отражения лучей солнца, если материал воды будет unlit), вместе со смещением вершины нам нужно просчитывать и её новую нормаль.

Смотрим на функцию с GPU Gems

Реализовывать все это мы также будем в нашей MF_GerstnerWave и с помощью Custom HLSL ноды.

Создаем ноду Custom с такими входными параметрами

Код внутри Custom:

Заметьте, что мы пока не вычитаем Z из единицы, мы будем делать это позже после сложения всех волн.

Также к вычисленному значению смещения нужно прибавить текущее положение вершины в мире

Подсоединяем значение функции к новому output

В материале нам нужно банально сложить все нормали всех волн, нормализовать результат и потом не забыть вычесть финальную Z компоненту из единицы.

Как я уже говорил, нормали в случае с волнами Герстнера нужны, чтобы например использовать фейковое отражение на unlit материалах. Вот мой пример:

Надеюсь я достаточно понятно объяснил принцип создания волн через шейдерный редактор. Буду рад критике по поводу содержания/оформления поста.

Подписывайтесь на блог, наверное туда буду выкладывать какие-нибудь посты по Unreal Engine 4.

#лонг #опыт #unrealengine #шейдеры