基于粒子的可交互水体制作思路

引言

在游戏开发中，水体交互效果是提升沉浸感与交互性的关键设计点之一。一些常见的交互水体制作思路包括：

1. SPH（光滑粒子流体动力学）水体
   在粒子的基础上实现物理模拟，效果比较真实，但涉及到大量粒子之间相互作用的计算，内存消耗也高，难以在移动设备上实现。

2. LBM（格子玻尔兹曼方法）水体
   LBM是水体模拟的一种数值解法，在形式上适合并行计算（每次迭代仅考虑格点四周的情况）。虽然并行计算比传统水体模拟的串行计算效率高得多，但对移动端来说依然开销昂贵（每个时间步骤需要完成碰撞/迁移计算等）、难以实现。

3. SWE（浅水方程）水体
   SWE同样也是水体模拟的一种数值解法，该方法相对 LBM 来说开销更小，仅需求解水深和水平速度分量，被 UE5 的水体系统所集成，在移动端上也能用（但存在分辨率要求）。可以参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/649003961

上面的三种方式虽然能够得到真实（相对真实）的物理水体交互效果，但有可能造成用户设备发烫/帧率下降的问题。对于移动端游戏来说，水体模拟必须找到一种低开销、能够适配绝大多数机型的实现方式，因此我想介绍一种俗称“动画水”的基于粒子系统+Render Texture的可交互水实现思路。

粒子+RT

粒子+RT可以实现一种伪物理动画水，其基本原理是：

1. 利用绑定在角色模型上的粒子系统制作交互效果（涟漪）
2. 将交互效果存放到一张RT上
3. 将该RT作为纹理输入到水体的 shader 的法线中
4. 得到交互效果。

涟漪shader

以下演示基于Unity 2021.3.21 URP

涟漪shader的目标是得到单个水波涟漪的法线贴图，这个贴图会被用在粒子系统上，最后加到水体shader的法线输出上。可以通过下面的思路制作三个涟漪都法线：

1. 找一张径向扩散的贴图，中间是1边缘是0

2. 乘以间隔系数 X（例如下图为37.3），主要作用在于将[0, 1]映射到[0, X]

3. 钳制（Clamp），用以限制映射的范围，可以影响涟漪层数

4. 通过Sine处理钳制后的结果，经由NormalFromHeight由高度图生成法线，输出到材质的BaseColor上，用在后续的涟漪粒子系统上

涟漪粒子系统

该粒子系统应当被绑定在角色模型身上，在角色移动时留下逐渐扩大的涟漪痕迹。下图是通过Unity的粒子系统实现的涟漪粒子demo。

粒子的render选项中，render mode记得设置成horizontal billboard

此时涟漪的消失很“硬”，一般来说希望交互产生的涟漪在扩散的过程中逐渐变淡、消失。在ShaderGraph中，VertexColor节点可以影响粒子系统所使用的材质的颜色，因此我们可以通过将VertexColor的aplha通道与先前Sine节点所处理的结果相乘并输出到材质的alpha通道上，以实现对涟漪的透明度控制。

在粒子系统中，通过Color over Lifetime控制透明度的变化，就可以实现涟漪渐隐的效果了。

涟漪相机RT

我们最终的目标是将这个涟漪法线粒子加到水体材质的法线上，因此需要一个媒介对粒子进行记录和传递，这个媒介就是RenderTexture（RT）。

新建一个用来记录涟漪粒子的正交相机，将RT赋给该相机，并将背景类型设置成纯黑。该相机仅渲染粒子层（比如Water），并在主相机中取消对该层的渲染，这样正常的游戏画面就看不到涟漪粒子，但粒子可以被记录到涟漪相机的RT上了：

接下来让涟漪相机完全罩住水体，这样RT与水体表面的位置关系就可以很好的对应到：

水体shader效果叠加

我做了一个非常简单（丑）的水面shader，把RT中的内容与水体shader原本的法线相加，就可以得到涟漪+水面的法线。反映到游戏中，当拖动游戏对象移动时，涟漪粒子的效果就会作用到水面上了。

期间可能涉及到一些调试，可以看我之前做的一期视频（建议静音播放），视频里的演示效果更好一些：