基于Unity3D的水面波浪模擬

歐陽勁夫 龔捷

摘要：在游戲，電影以及其他應(yīng)用領(lǐng)域中，對(duì)自然界的模擬成為研究熱點(diǎn)。而水作為自然界中重要的元素，其研究?jī)r(jià)值不言而喻。在一個(gè)以水為背景的項(xiàng)目中，如海洋鉆井模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，戰(zhàn)艦世界游戲等等，水的真實(shí)感將會(huì)成為項(xiàng)目好壞的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)之一。為了更好地模擬具有真實(shí)感的水面，該文使用了Unity3D引擎，C#語言編寫，應(yīng)用引擎自帶的組件模擬光的反射折射，利用法線貼圖代替公式計(jì)算，利用可視化編程制作水體著色器，從而達(dá)到低性能損耗，模擬效果較好的目的。

關(guān)鍵詞：Unity3D;柏林噪聲;uv紋理貼圖坐標(biāo);著色器;C#

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）05-0219-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

水在自然界中的存在十分普遍，對(duì)于水的模擬在許多應(yīng)用領(lǐng)域都很有必要，例如水面的運(yùn)動(dòng)分析，物理校正流動(dòng)模擬分析。對(duì)水的模擬加上一點(diǎn)特效，可以增強(qiáng)真實(shí)感，這在游戲和電影產(chǎn)業(yè)中非常盛行。然而，這種自然界獨(dú)特的流體所具有的隨機(jī)性，導(dǎo)致模擬計(jì)算水流需要復(fù)雜的算法和大量的計(jì)算性能。在這種情況下使用傳統(tǒng)模擬3D流體的方法將意味著極其巨大的網(wǎng)格，以及海量的運(yùn)算，使用這種方法在普通的計(jì)算機(jī)上是幾乎不可能模擬出來的。然而Jerry Tessendorf 2004年提出的基于高度場(chǎng)的水面模擬，為普通計(jì)算機(jī)模擬水體提供了可能，甚至在現(xiàn)代大規(guī)模GPU計(jì)算下也能進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬。Unity是一款由Unity Technologies研發(fā)的跨平臺(tái)2D/3D游戲引擎，可用于開發(fā)Windows、MacOS及Linux平臺(tái)的游戲。Unity帶有的Mesh Renderer組件可方便繪制模型的三角形網(wǎng)格，并對(duì)其編程，獲取頂點(diǎn)高度數(shù)據(jù)，用來定義水面網(wǎng)格非常合適。而Shad-er -直是Unity開發(fā)者的一個(gè)難關(guān)，因?yàn)樯婕皵?shù)學(xué)，圖形學(xué)，Shader語法等多個(gè)難題，而最新版本的Unity則推出了ShaderGraph，通過可視化界面編程，可以輕松實(shí)現(xiàn)著色器的創(chuàng)建和編輯。這為我們制作貼圖流動(dòng)，菲涅爾反射效應(yīng)，光的反射折射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更為逼真的水體效果提供了便利。

1 實(shí)現(xiàn)過程

1.1 創(chuàng)建水面網(wǎng)格

首先新建Unity項(xiàng)目，然后在左側(cè)菜單欄中創(chuàng)建一個(gè)空對(duì)象（Create Empty）并改名為Waves，用于容納Waves腳本。然后創(chuàng)建Waves腳本。

private int[] GenerateTries0

{var tries= new int[Mesh.vertices.Length*6）;

for（int x=0;x

{ for（int z=0;z

（ tries[index（x，z）8 6+0]=index（x，z）;

tries[index（x，z）*6+l]=index（x+1，z+1）;

tries[index（x，Z）*6+2]=index（x+1，z）;

tries[index（x，z）*6+3]=index（x，Z）;

tries[index（x，Z）*6+4]=index（x，z+1）;

tries[index（x，z）*6+5]=index（x+1，z+1）;

]]

return tries;）

以上代碼的作用為根據(jù)坐標(biāo)生成三角形網(wǎng)格。然后在In-spector視窗中創(chuàng)建Mesh Renderer組件（Component），選用默認(rèn)材質(zhì)（Default Material），即可根據(jù)腳本生成所需的網(wǎng)格，在Wire-Frame模式中可預(yù)覽效果。

1.2 柏林噪聲

柏林噪聲是一種自然噪聲生成算法，由Ken Perlin提出，指在一維或二維空間中，對(duì)一個(gè)隨機(jī)的點(diǎn)指定一個(gè)值和梯度。在噪聲圖像中，坐標(biāo)軸不是整數(shù)，而是由梯度雙線性內(nèi)插法計(jì)算得來的值。柏林噪聲和Navier-Stokes方程是生成水體隨機(jī)高度數(shù)據(jù)非常有效的辦法，但Navier-Stokes方程非常復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn)，所以在這個(gè)項(xiàng)目中使用法線貼圖代替。

i{ （Octaves[o].alternate）

{var perl= Mathf.PerlinNoise《x*Octaves[o].scale.x）/Dimen-sion，（z*

Octaves[o].scale.y）/Dimension）*Mathf.PI*2f.

y+= Mathf. Cos（perl+Octaves[o]. speed. magnitude*Time.time）4

Octaves[o].height;}

else

*Octaves[o].speed.x），Dimension，（z*Octaves[o].scale.y+

Time.time*Octaves[o].speed.y）/Dimension） - 0.5f;

y+= perl*Octaves[o].height;]

以上操作完成后，應(yīng)該得到了一個(gè)卷曲，運(yùn)動(dòng)的表面，但進(jìn)入U(xiǎn)nity陰影模式（Shaded Mode），表面并沒有陰影或者高光，這是因?yàn)檫€沒有計(jì)算頂點(diǎn)法線和生成UV動(dòng)畫。

1.3 生成uv動(dòng)畫

UV動(dòng)面是一種常用的渲染技巧，經(jīng)常用來描述水的流動(dòng)、霓虹燈的閃爍等。實(shí)現(xiàn)的原理為動(dòng)態(tài)修改貼圖的UV坐標(biāo)，使物體表面產(chǎn)生變化。用一張水波的貼圖，處理其UV值，這樣就用靜態(tài)紋理和UV動(dòng)畫模擬出了動(dòng)態(tài)水流動(dòng)的效果。在這個(gè)項(xiàng)目中還可以讓UV偏移與柏林噪聲相關(guān)，實(shí)現(xiàn)較普通UV動(dòng)畫更為真實(shí)的水面模擬效果。

private Vector2[] GenerateUVs（）

{ var uvs= new Vector2[Mesh.vertices.Length]

for （int x=0;x<=Dimension; x++）

{ for （int z=0;z<=Dimension; z++）

（var vec= new Vector2《x，UVScale）%2，（z/UVScale）%2）;

uvs[index（x，z）]_new Vector2（vec.x<=1 7 vec.x：2 -

vec.x，vec.y<=1 7 vec.y：2- vec.y）;}

return uvs;1

2 制作著色器（Shader）

接下來就是制作水面著色器（Shader），雖然Unity有白帶的標(biāo)準(zhǔn)著色器，但效果一般，所以使用Unity的渲染管線（RenderPipeline）重新制作著色器。首先進(jìn)入U(xiǎn)nity界面，選擇Window選項(xiàng)卡，選擇Package Manager，安裝Lightweight Render Pipeline（LWRP）。然后空白處右鍵創(chuàng)建著色器（Shader），選擇PBRGraph，再創(chuàng)建一個(gè)材質(zhì)（Material），使用剛創(chuàng)建好的PBR Graph。然后雙擊材質(zhì)球即可進(jìn)入U(xiǎn)nity Shader Graph界面。圖1著色器采樣

4 總結(jié)

本文研究了使用Unity3D引擎模擬自然界水體的過程，其中包括使用網(wǎng)格組件構(gòu)成了基本的水面，為下一步的渲染做準(zhǔn)備;從網(wǎng)上下載了水面紋理的貼圖，并處理其UV值，以較低的系統(tǒng)性能損耗模擬出了動(dòng)態(tài)水流;運(yùn)用Unity全新的Shader Graph可視化編程技術(shù)，方便快捷的制作了水體著色器，使模擬的真實(shí)感更強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：唐一東】 收稿日期：2019 -11-15

作者簡(jiǎn)介：歐陽勁夫（1994-），男，碩士，主要研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)與計(jì)算機(jī)模擬;龔捷，男，副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)模擬，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。