Unreal 海洋场景构建

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导读

Ocean Simulation for Unreal 是一个使用虚幻引擎4制作的海洋模拟项目，较为逼真地模拟了海洋系统，包括焦散、浮力、海浪、暴风、海底鱼群、水下失真、水下焦散等效果。对于这个功能强大的项目，本文重点解析海面场景的构建过程。

效果展示：

高大上效果请戳原项目地址：

https://lab.uwa4d.com/lab/5b855a6702004fb659758add

细节放大后再来感受下波澜壮阔的宏伟之势：

使用方法

使用方法较为简单，作者已经将大部分重要参数可视化，直接在Detail面板中修改数值即可。

例如Heightmap栏中的参数：Scale决定海浪的范围大小，Speed决定流速，Displacement决定水量高度。

实现原理及方法

在计算机图形学中，流体仿真的其中一种做法是基于网格绘制，通过物理模拟（波动方程）来计算网格点位置，达到动态效果。此项目将这种思路简化，根据坐标计算每个点的位置及其渲染所需的参数。

此项目通过蓝图实现，较为重要的资源如下：

BP_Ocean类蓝图：用于初始化参数，并实例化材质。

• MPC_Ocean材质参数集：保存渲染所需的参数，供多个材质使用。

• MF_Gerstner_Wave材质函数：根据Gerstner Wave计算公式，计算偏移值和法线，用于模拟出水波尖锐的波峰效果。

• MF_Gerstner_Wave_Set材质函数：根据MF_Gerstner_Wave材质函数传入不同的数值创造出8中不同的Gerstner Wave波形。
  

• MF_Pannner材质函数：用于计算产生一个位移向量，模拟流动。

• SSS材质函数：用于计算产生一个向量，模拟次表面散射效果。

• Motion_4WayChaosShared材质函数：用于产生一个混合的材质，模拟海面气泡。

• Motion_4WayChaos_NormalShared材质函数：用于产生一个混合的法线，用来做线性插值，参与颜色的计算。

不同的材质采用根据需要输入不同的参数，选择材质函数进行计算得到相应的功能。

例如M_Ocean材质的实现：

步骤一：使用Motion_4WayChaos_NormalShared产生两种法线向量：Medium Wave Normal与Detail Wave Normal。

步骤二：使用MF_Gerstner_Wave_Set得到Gerstner Wave Normal与Gerstne Wave Displacement。

步骤三：将三种法线经过运算后作为参数赋予SSS材质函数得到次表面反射效果。

步骤四：依据世界坐标、摄影机位置以及一些自定义参数进行透明度计算。

步骤五：依据次表面反射效果、透明度、海洋自定义基础颜色、自定义折射率等参数进行计算得出当前位置颜色。根据此像素与其后像素之间的距离，在基础颜色与场景颜色之间进行插值。

步骤六：使用此颜色，添加泡沫效果、进行Cubemap Reflection 与Fresnel Reflection计算，得到的颜色作为材质的基础颜色。

     

步骤七：材质的金属度、高光度、多边形细分乘数均为自定义变量。       

       

步骤八：自定义Roughness、DepthTest与粗糙度纹理进过计算进行插值得到材质粗糙度。 

性能测试

本次的性能测试选取使用M_Ocean材质制作的海洋场景进行PC端测试，为了排除其他因素的干扰，测试场景删除了部分Actor、地形，保留了人物与天空盒。

测试场景的海平面Mesh尺寸：

8192ｍ*8192ｍ

得到测试数据如下：       

图1

图2

图3

从测试数据可以看出测试的平均帧率为51.4（图1），考虑到测试场景只绘制了一个海面效果，这个帧率在PC上还是偏低的。

在“各线程总体耗时占比”中可以看到Render Thread耗时占55%（图2），是导致CPU耗时的主要因素，然后我们可以在报告的“代码效率-RenderThread”页面中具体查看渲染线程的具体堆栈信息。

在图3中可以看到，有一个占98%的函数“STAT_D3D11PresentTime”。这个函数表示CPU正在等待GPU的渲染工作完成，从截图中可知这个函数的耗时均值为17.28ms，非常高，由此可见，GPU渲染是一个主要的性能瓶颈。

Draw Call数量较少，面片数量相对PC平台较为合理。

综上所述：

帧率较低的原因是渲染流程过长，参照项目中Material的构建蓝图，可以看出实现越好的模拟效果所需要的渲染时间会大幅增加。

开发者需要在实现效果与性能之间权衡，达到流畅又逼真的模拟效果为佳。

系统信息：

显卡信息：