基于Unity3D的水面波浪模擬

歐陽勁夫 龔捷

摘要：在游戲，電影以及其他應用領域中，對自然界的模擬成為研究熱點。而水作為自然界中重要的元素，其研究價值不言而喻。在一個以水為背景的項目中，如海洋鉆井模擬訓練系統，戰艦世界游戲等等，水的真實感將會成為項目好壞的評判標準之一。為了更好地模擬具有真實感的水面，該文使用了Unity3D引擎，C#語言編寫，應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算，利用可視化編程制作水體著色器，從而達到低性能損耗，模擬效果較好的目的。

關鍵詞：Unity3D;柏林噪聲;uv紋理貼圖坐標;著色器;C#

中圖分類號：TP37 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）05-0219-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

水在自然界中的存在十分普遍，對于水的模擬在許多應用領域都很有必要，例如水面的運動分析，物理校正流動模擬分析。對水的模擬加上一點特效，可以增強真實感，這在游戲和電影產業中非常盛行。然而，這種自然界獨特的流體所具有的隨機性，導致模擬計算水流需要復雜的算法和大量的計算性能。在這種情況下使用傳統模擬3D流體的方法將意味著極其巨大的網格，以及海量的運算，使用這種方法在普通的計算機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的水面模擬，為普通計算機模擬水體提供了可能，甚至在現代大規模GPU計算下也能進行實時模擬。Unity是一款由Unity Technologies研發的跨平臺2D/3D游戲引擎，可用于開發Windows、MacOS及Linux平臺的游戲。Unity帶有的Mesh Renderer組件可方便繪制模型的三角形網格，并對其編程，獲取頂點高度數據，用來定義水面網格非常合適。而Shad-er -直是Unity開發者的一個難關，因為涉及數學，圖形學，Shader語法等多個難題，而最新版本的Unity則推出了ShaderGraph，通過可視化界面編程，可以輕松實現著色器的創建和編輯。這為我們制作貼圖流動，菲涅爾反射效應，光的反射折射，進而實現更為逼真的水體效果提供了便利。

1 實現過程

1.1 創建水面網格

首先新建Unity項目，然后在左側菜單欄中創建一個空對象（Create Empty）并改名為Waves，用于容納Waves腳本。然后創建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坐標生成三角形網格。然后在In-spector視窗中創建Mesh Renderer組件（Component），選用默認材質（Default Material），即可根據腳本生成所需的網格，在Wire-Frame模式中可預覽效果。

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，對一個隨機的點指定一個值和梯度。在噪聲圖像中，坐標軸不是整數，而是由梯度雙線性內插法計算得來的值。柏林噪聲和Navier-Stokes方程是生成水體隨機高度數據非常有效的辦法，但Navier-Stokes方程非常復雜且難以實現，所以在這個項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，應該得到了一個卷曲，運動的表面，但進入Unity陰影模式（Shaded Mode），表面并沒有陰影或者高光，這是因為還沒有計算頂點法線和生成UV動畫。

1.3 生成uv動畫

UV動面是一種常用的渲染技巧，經常用來描述水的流動、霓虹燈的閃爍等。實現的原理為動態修改貼圖的UV坐標，使物體表面產生變化。用一張水波的貼圖，處理其UV值，這樣就用靜態紋理和UV動畫模擬出了動態水流動的效果。在這個項目中還可以讓UV偏移與柏林噪聲相關，實現較普通UV動畫更為真實的水面模擬效果。

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有白帶的標準著色器，但效果一般，所以使用Unity的渲染管線（RenderPipeline）重新制作著色器。首先進入Unity界面，選擇Window選項卡，選擇Package Manager，安裝Lightweight Render Pipeline（LWRP）。然后空白處右鍵創建著色器（Shader），選擇PBRGraph，再創建一個材質（Material），使用剛創建好的PBR Graph。然后雙擊材質球即可進入Unity Shader Graph界面。圖1著色器采樣

4 總結

本文研究了使用Unity3D引擎模擬自然界水體的過程，其中包括使用網格組件構成了基本的水面，為下一步的渲染做準備;從網上下載了水面紋理的貼圖，并處理其UV值，以較低的系統性能損耗模擬出了動態水流;運用Unity全新的Shader Graph可視化編程技術，方便快捷的制作了水體著色器，使模擬的真實感更強。

參考文獻：

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[5]譚同德，趙碩，趙紅領.應用折射反射紋理的實時水面仿真技術[J].鄭州大學學報：工學版，201 1，32（2）：88-92.

【通聯編輯：唐一東】 收稿日期：2019 -11-15

作者簡介：歐陽勁夫（1994-），男，碩士，主要研究方向為虛擬現實與計算機模擬;龔捷，男，副教授，主要研究方向為計算機模擬，計算機網絡。