欧阳劲夫 龚捷

摘要：在游戏，电影以及其他应用领域中，对自然界的模拟成为研究热点。而水作为自然界中重要的元素，其研究价值不言而喻。在一个以水为背景的项目中，如海洋钻井模拟训练系统，战舰世界游戏等等，水的真实感将会成为项目好坏的评判标准之一。为了更好地模拟具有真实感的水面，该文使用了Unity3D引擎，C#语言编写，应用引擎自带的组件模拟光的反射折射，利用法线贴图代替公式计算，利用可视化编程制作水体着色器，从而达到低性能损耗，模拟效果较好的目的。

关键词：Unity3D;柏林噪声;uv纹理贴图坐标;着色器;C#

中图分类号：TP37 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）05-0219-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

水在自然界中的存在十分普遍，对于水的模拟在许多应用领域都很有必要，例如水面的运动分析，物理校正流动模拟分析。对水的模拟加上一点特效，可以增强真实感，这在游戏和电影产业中非常盛行。然而，这种自然界独特的流体所具有的随机性，导致模拟计算水流需要复杂的算法和大量的计算性能。在这种情况下使用传统模拟3D流体的方法将意味着极其巨大的网格，以及海量的运算，使用这种方法在普通的计算机上是几乎不可能模拟出来的。然而Jerry Tessendorf 2004年提出的基于高度场的水面模拟，为普通计算机模拟水体提供了可能，甚至在现代大规模GPU计算下也能进行实时模拟。Unity是一款由Unity Technologies研发的跨平台2D/3D游戏引擎，可用于开发Windows、MacOS及Linux平台的游戏。Unity带有的Mesh Renderer组件可方便绘制模型的三角形网格，并对其编程，获取顶点高度数据，用来定义水面网格非常合适。而Shad-er -直是Unity开发者的一个难关，因为涉及数学，图形学，Shader语法等多个难题，而最新版本的Unity则推出了ShaderGraph，通过可视化界面编程，可以轻松实现着色器的创建和编辑。这为我们制作贴图流动，菲涅尔反射效应，光的反射折射，进而实现更为逼真的水体效果提供了便利。

1 实现过程

1.1 创建水面网格

首先新建Unity项目，然后在左侧菜单栏中创建一个空对象（Create Empty）并改名为Waves，用于容纳Waves脚本。然后创建Waves脚本。

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;）

以上代码的作用为根据坐标生成三角形网格。然后在In-spector视窗中创建Mesh Renderer组件（Component），选用默认材质（Default Material），即可根据脚本生成所需的网格，在Wire-Frame模式中可预览效果。

1.2 柏林噪声

柏林噪声是一种自然噪声生成算法，由Ken Perlin提出，指在一维或二维空间中，对一个随机的点指定一个值和梯度。在噪声图像中，坐标轴不是整数，而是由梯度双线性内插法计算得来的值。柏林噪声和Navier-Stokes方程是生成水体随机高度数据非常有效的办法，但Navier-Stokes方程非常复杂且难以实现，所以在这个项目中使用法线贴图代替。

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，应该得到了一个卷曲，运动的表面，但進入Unity阴影模式（Shaded Mode），表面并没有阴影或者高光，这是因为还没有计算顶点法线和生成UV动画。

1.3 生成uv动画

UV动面是一种常用的渲染技巧，经常用来描述水的流动、霓虹灯的闪烁等。实现的原理为动态修改贴图的UV坐标，使物体表面产生变化。用一张水波的贴图，处理其UV值，这样就用静态纹理和UV动画模拟出了动态水流动的效果。在这个项目中还可以让UV偏移与柏林噪声相关，实现较普通UV动画更为真实的水面模拟效果。

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 制作着色器（Shader）

接下来就是制作水面着色器（Shader），虽然Unity有白带的标准着色器，但效果一般，所以使用Unity的渲染管线（RenderPipeline）重新制作着色器。首先进入Unity界面，选择Window选项卡，选择Package Manager，安装Lightweight Render Pipeline（LWRP）。然后空白处右键创建着色器（Shader），选择PBRGraph，再创建一个材质（Material），使用刚创建好的PBR Graph。然后双击材质球即可进入Unity Shader Graph界面。图1着色器采样

4 总结

本文研究了使用Unity3D引擎模拟自然界水体的过程，其中包括使用网格组件构成了基本的水面，为下一步的渲染做准备;从网上下载了水面纹理的贴图，并处理其UV值，以较低的系统性能损耗模拟出了动态水流;运用Unity全新的Shader Graph可视化编程技术，方便快捷的制作了水体着色器，使模拟的真实感更强。

参考文献：

[1]平桉，程乃伟.基于Unity3D粒子系统的消防水枪流体喷射仿真研究[J].科技创新与应用，2017（9）：42.

[2]赵忠琛，程乃伟.基于Unity3D的水波涟漪仿真模拟[J].山东工业技术，2017（8）：293.

[3]胡能发.基于Unity3d游戏开发中地面及水下效果的渲染设计[J].电子世界，2015（22）：161-162.

[4]余凡.基于Unity3d的福建省海洋立体实时观测网交互展示系统[J].数字技术与应用，2016（12）：58-59.

[5]谭同德，赵硕，赵红领.应用折射反射纹理的实时水面仿真技术[J].郑州大学学报：工学版，201 1，32（2）：88-92.

【通聯编辑：唐一东】 收稿日期：2019 -11-15

作者简介：欧阳劲夫（1994-），男，硕士，主要研究方向为虚拟现实与计算机模拟;龚捷，男，副教授，主要研究方向为计算机模拟，计算机网络。