Unity Crest Ocean System源码如何阅读与？

1.前言 crest是一款海洋模拟插件，其开源的基础版本位于github(https://github.com/wave-harmonic/crest)，年末清下Flag。 1.1.对比Boat Attack 之前基于BoatAttack（https://github.com/Unity-Technologies/BoatAttack）做过一套水体方案，对比下两者。 - Boat Attack Water BoatAttack没有水下渲染，无吃水线 Lod只有mesh做了远处简化处理，没有系统级Lod的设计。 水体交互通过叠加Gerstner波形实现，但有叠加上限限制。 无FFT波形，只有Gerstner波。 无船只水体交互，只有深度差泡沫效果，海浪是粒子特效。 - Crest 基础版本无吃水线，但有完善水下渲染实现。 完整的大规模海面LOD方案，大量ComputeShader处理，但也提供常规VF Shader兼容性支持，需手动开关。 波形模拟做了封装处理，可自由切换FFT与Gerstner，可自定义某块区域用哪一种。 查询接口做了封装处理，一套接口可以支持异步和非异步。 船只与水体可配置波浪等交互，海浪是GPU Instancing的面片特效。 1.2 插件结构 以github上开源的基础版本为例，Examples.unity场景有所有效果演示 核心逻辑在OceanRenderer中，但要让海洋正常运行需要一定层级结构配置，例如参考BoatScene.unity Shader部分较为清晰，主要在Ocean.shader中，包含折射、反射、泡沫、SSS等基础的海水实现。 展开OceanRenderer的Debug菜单后，可显示Tile、线框等。 2.Tile & ShiftingOrigin 2.1 Tile拼接 在OceanRenderer脚本处勾选showOceanTileGameObjects即可显示隐藏的Chunk对象 具体代码在OceanBuilder的GenerateMesh中。 所有Tile都是独立Mesh，替换为Unlit shader查看，会发现有接缝： Shader中通过SnapAndTransitionVertLayout函数，进行坐标偏移修复，解决接缝问题。 unlit shader: 切回带Snap函数的shader: 但感觉实际上也可以用类似geo mipmap的做法，离线生成一张带顶点缝合的大型Mesh， 实时跟着Camera走（缺点是不好按Tile优化）： 2.2 ShiftingOrigin实现原理 当实际坐标大于某阈值时，直接让transform.position减去一定偏移量，实现拉回，从而避免 因浮点数偏差而导致模型出现撕扯问题。 维基百科(http://wiki.unity3d.com/index.php/Floating_Origin) 插件实现： public class ShiftingOrigin : CustomMonoBehaviour { ... void FixedUpdate() { var newOrigin = Vector3.zero; if (Mathf.Abs(transform.position.x) > _threshold) ... if (Mathf.Abs(transform.position.y) > _threshold) ... if (Mathf.Abs(transform.position.z) > _threshold) ... if (newOrigin != Vector3.zero) { MoveOrigin(newOrigin); } } } 2.3 Texel对齐 为了避免偏移时无法对齐mesh网格，实际还会进行一步Texel偏移操作。 即用最小lod网格的尺寸进行坐标量化，避免shader通过世界坐标采样噪声贴图时， 因为浮点数采样到完全不同的中间位置，造成抖动感。 有Texel量化对齐的移动： 无Texel量化对齐的移动： 代码可参考LodTransform public class LodTransform : IShiftingOrigin { ... public void UpdateTransforms() { for (int lodIdx = 0; lodIdx < LodCount; lodIdx++) { ... // find snap period _renderData[lodIdx].Current._textureRes = OceanRenderer.Instance.LodDataResolution; _renderData[lodIdx].Current._texelWidth = 2f * camOrthSize / _renderData[lodIdx].Current._textureRes; // snap so that shape texels are stationary _renderData[lodIdx].Current._posSnapped = OceanRenderer.Instance.Root.position - new Vector3(Mathf.Repeat(OceanRenderer.Instance.Root.position.x, _renderData[lodIdx].Current._texelWidth), 0f, Mathf.Repeat(OceanRenderer.Instance.Root.position.z, _renderData[lodIdx].Current._texelWidth)); 3.LOD系统 可以说整个插件的核心都是围绕着LOD系统，各类模块都继承自LodDataMgr 继承LodDataMgr的模块： -LodDataMgrAlbedo，类似于Decal -LodDataMgrAnimWaves，指定波形 -LodDataMgrClipSurface，使用SDF或其他方式裁剪海面 -LodDataMgrDynWaves，动态修改波 -LodDataMgrFlow，通过Crest内部FlowMap和内部样条线，实现类似河流流动效果 -LodDataMgrFoam，泡沫 -LodDataMgrPersistent，中间基类，提供子步骤模拟，以避免物理模拟/查询等出错 -LodDataMgrSeaFloorDepth，维护海平面相对海底的高度数据，生成中间贴图，用于后续的浅水区着色等 整体继承关系如下： 3.1 Lod调试 可通过设置Viewpoint并拖拽，直接调试LOD。 （这里的LOD还包括俯视角拉远，海洋细节也会自动切LOD） 3.2 Lod Input组件 每个Lod模块通过基类的注册代码逻辑，可针对对应模块注册若干Input脚本进行扩展。 以Albedo为例，继承逻辑关系如下： s_registrar是基类（RegisterLodDataInputBase）中处理对应各类型Input的静态字典，其中OceanInput是List类型 可注册若干Input using OceanInput = CrestSortedList<int, ILodDataInput>; ... public abstract partial class RegisterLodDataInputBase : CustomMonoBehaviour, ILodDataInput { ... static Dictionary<Type, OceanInput> s_registrar = new Dictionary<Type, OceanInput>(); public static OceanInput GetRegistrar(Type lodDataMgrType) { if (!s_registrar.TryGetValue(lodDataMgrType, out var registered)) { registered = new OceanInput(Helpers.DuplicateComparison); s_registrar.Add(lodDataMgrType, registered); } return registered; } ... 注册代码： public static void RegisterInput(ILodDataInput input, int queueSortIndex, int subSortIndex) { var registrar = GetRegistrar(typeof(LodDataType)); registrar.Remove(input); // Allow sorting within a queue. Callers can pass in things like sibling index to get deterministic sorting int maxSubIndex = 1000; int finalSortIndex = queueSortIndex * maxSubIndex + Mathf.Min(subSortIndex, maxSubIndex - 1); registrar.Add(finalSortIndex, input); } 3.3 Lod的RT绘制 BuildCommandBuffer是基类LogDataMgr比较重要的接口， 子类重写BuildCommandBuffer自定义CommandBuffer的命令，通过基类工具函数SubmitDraws/SubmitDrawsFiltered 最终拿到Input，绘制Mesh，完成当前组件对应的那张RT的编辑。 为了说明的更清晰些，看下该插件的渲染流程。 在渲染管线运行之前，Crest会预先执行LodData的相关操作，完成不同RT的绘制， 被绘制的RT根据LOD级别存放在Texture2DArray中。 例如Albedo的所有绘制RT，会绘制至Albedo上， 并作为Texture2DArray参数传入。 不同LOD对应的俯视角相机矩阵存放在LodTransform中 public class LodTransform : IShiftingOrigin { ... public BufferedData<RenderData>[] _renderData; 远处的Lod将应用更大的俯视角，更低分辨率的贴图。 LOD系统的好处是，所有区域信息都是信息化存在的， 例如某块区域被标记为海浪，某块区域被标记为河流，可作为Prefab加载卸载。 它们不受分辨率影响，会根据观测点位置在需要的时候被绘制到对应的LOD贴图上，最后交给Ocean shader渲染。 缺点是每一帧都在绘制，但可以二次开发来优化。 4.查询&交互 4.1 查询 Crest提供了异步查询接口，允许的异步执行时间为1帧，当到达下一帧时，将强行 完成异步工作。查询逻辑用了双缓冲结构，本帧的异步数据执行时将拿出第二份备用数据， 用于注册新的查询请求。 以ICollProvider为例，CollProviderBakedFFT是CollProvider的其中一个实现。 QueryData中存放了3个字典： class QueryData { public Dictionary<int, int3> _segmentRegistryNewQueries = new Dictionary<int, int3>(); public Dictionary<int, int3> _segmentRegistryQueriesInProgress = new Dictionary<int, int3>(); public Dictionary<int, int3> _segmentRegistryQueriesResults = new Dictionary<int, int3>(); public int RegisterQueryPoints(int ownerHash, Vector3[] queryPoints, int dataToWriteThisFrame) { } public void Flip() { } } 当外部执行RegisterQueryPoints进行注册查询时，数据会被加到_segmentRegistryNewQueries。 当外部执行RetrieveDisps尝试取回查询结果时，会从_segmentRegistryQueriesResults中取得。 当执行Flip时，将更换两套数据，上一轮次的数据回收待查询使用，这一轮次的数据开始异步执行。 public void Flip() { // Results become the next query input (last stage cycles back to first) var nextQueries = _segmentRegistryQueriesResults; // In progress queries become results _segmentRegistryQueriesResults = _segmentRegistryQueriesInProgress; // Newly collected queries are now being processed _segmentRegistryQueriesInProgress = _segmentRegistryNewQueries; // The old results become the new queries _segmentRegistryNewQueries = nextQueries; // Clear so if something stops querying it's cleaned out _segmentRegistryNewQueries.Clear(); foreach (var registration in _segmentRegistryQueriesInProgress) { var age = Time.frameCount - registration.Value.z; // If query has not been used in a while, throw it away if (age < 10) { ... _segmentRegistryNewQueries.Add(registration.Key, newSegment); } } } 类似的设计在BufferedData中也有体现。 RetrieveSucceeded接口检查当前是否异步执行结束，可以取得数据。 在BakedFFT中： public int Query( int i_ownerHash, float i_minSpatialLength, Vector3[] i_queryPoints, float[] o_resultHeights, Vector3[] o_resultNorms, Vector3[] o_resultVels ) { ... /*检查异步是否处理完成，尝试取得数据*/ return allCopied ? (int)QueryStatus.Success : (int)QueryStatus.ResultsNotReadyYet; } public bool RetrieveSucceeded(int queryStatus) { return queryStatus == (int)QueryStatus.Success; } 而在Gerstner中，由于不需要异步查询，直接返回0： public int Query(int i_ownerHash, float i_minSpatialLength, Vector3[] i_queryPoints, float[] o_resultHeights, Vector3[] o_resultNorms, Vector3[] o_resultVels) { ... return 0; } public bool RetrieveSucceeded(int queryStatus) { return queryStatus == 0; } 4.2 查询可视化调试 通过挂载VisualiseCollisionArea脚本，可对海面区域进行可视化的查询调试。 4.3 循环队列 循环队列是CPU缓存利用非常高效的数据结构，因为下标循环滚动，不会像栈那样，只有靠近栈顶的一些元素被频繁使用。 如BufferedData： public void Flip() { _currentFrameIndex = (_currentFrameIndex + 1) % _buffers.Length; } 使用双下标的循环队列，可以处理生产者与消费者逻辑，甚至还适用于对象池(释放时，交换释放对象到下标2，下标2前进1 ；使用BenchmarkDotNet测试过；存在性能提升)。 插件也有一个双下标循环队列实现：SegmentRegistrarRingBuffer。双下标循环队列逻辑参考图： 4.4AsyncGPUReadback Unity提供了异步GPU数据取回的接口，比如RT转Tex2D用该接口效率会更高， 或者ComputeShader执行结果通过该接口异步返回等。 插件查询部分使用了该接口。 之前写过测试：https://www.cnblogs.com/hont/p/11351273.html 4.5SphereWaterInteraction（水体交互） 也并非所有LOD组件都走Input扩展，例如SphereWaterInteraction，直接注册到s_Instances中， 并由静态方法SphereWaterInteraction.SubmitDraws调用执行。 public partial class SphereWaterInteraction : CustomMonoBehaviour, ILodDataInput { internal static List<SphereWaterInteraction> s_Instances = new List<SphereWaterInteraction>(); void OnEnable() { ... s_Instances.Add(this); } void OnDisable() { s_Instances.Remove(this); } public static void SubmitDraws(LodDataMgr manager, int lodIndex, CommandBuffer buffer) [RuntimeInitializeOnLoadMethod(RuntimeInitializeLoadType.SubsystemRegistration)] static void OnLoad() { ClearInstanceData(); s_Instances.Clear(); } } 使用水体交互需要在OceanRenderer处勾选CreateDynamicWaveSim，并设置配置文件 水体交互的代码是关联到LodDataMgrDynWaves，最后在DynamicWaves这个RT上绘制。 官方Demo的复杂形状用的球体组合的方式。 4.6BoatProbes/SimpleFloatingObject 船体模拟通过配置_forcePoints实现浮力 _forcePoints再通过水面信息查询，得到水面高度后传给Unity Rigidbody实现浮力。 而船体自身引擎动力，海洋Flow流向信息也会在FixedUpdate中更新。 而SimpleFloatingObject为简化版逻辑，没有高度查询，但会去取Flow，可让漂浮对象跟着流向移动。 void FixedUpdateBuoyancy() { var archimedesForceMagnitude = WATER_DENSITY * Mathf.Abs(Physics.gravity.y); for (int i = 0; i < _forcePoints.Length; i++) { var waterHeight = OceanRenderer.Instance.SeaLevel + _queryResultDisps[i].y; var heightDiff = waterHeight - _queryPoints[i].y; if (heightDiff > 0) { var force = _forceMultiplier * _forcePoints[i]._weight * archimedesForceMagnitude * heightDiff * Vector3.up / _totalWeight; if (_maximumBuoyancyForce < Mathf.Infinity) { force = Vector3.ClampMagnitude(force, _maximumBuoyancyForce); } _rb.AddForceAtPosition(force, _queryPoints[i]); } } } 5.水下渲染Underwater Camera挂载UnderwaterRenderer后可进行水下渲染。 Shader部分检测是否在水下逻辑： half4 Frag(const Varyings input, const bool i_isFrontFace : SV_IsFrontFace) : SV_Target { ... #if _UNDERWATER_ON const bool underwater = IsUnderwater(i_isFrontFace, _CrestForceUnderwater); #else const bool underwater = false; #endif bool IsUnderwater(const bool i_isFrontFace, const float i_forceUnderwater) { // We are well below water. if (i_forceUnderwater > 0.0) { return true; } // We are well above water. if (i_forceUnderwater < 0.0) { return false; } return !i_isFrontFace; } 可见，直接通过Frag参数进行了判断。 6.杂项 6.1 UpdateFoam.compute 浪花计算 插件通过雅可比矩阵求秩的做法，计算当前贴图的收缩/膨胀状态，从而进行浪花绘制。 （同样的做法在OceanHelpersNew.hlslSampleDisplacementsNormals函数中也有使用） float3 disp = s.xyz; float3 disp_x = dd.zyy + sx.xyz; float3 disp_z = dd.yyz + sz.xyz; // The determinant of the displacement Jacobian is a good measure for turbulence: // > 1: Stretch // < 1: Squash // < 0: Overlap const float2x2 jacobian = (float4(disp_x.xz, disp_z.xz) - disp.xzxz) / wavesCascadeParams._texelWidth; // Determinant is < 1 for pinched, < 0 for overlap/inversion const float det = determinant( jacobian ); foam += 5.0 * simDeltaTime * _WaveFoamStrength * saturate( _WaveFoamCoverage - det + foamBase * 0.7 ); 调试下该值，det为1和为0时效果区别。 6.2 ComputeShader RWTexture2D 直接绘制 在传统VF Shader中，绘制一张RT需要通过至少2张RT PingPong的方式绘制， ComputeShader直接通过RWTexture2D可避免这一问题。 https://docs.microsoft.com/en-us/windows/desktop/direct3dhlsl/sm5-object-rwtexture2d 插件中使用了这个技巧进行优化，在ShapeCombine.compute中，但缺点是不能进行双线性采样等方式，只能手写。 6.3OceanDepthCache 该脚本创建ODC深度信息，从而实现浅水区等效果。该脚本有一套完善的俯视角相机、参数创建逻辑， 可参考使用（实际上很多效果都需要俯视角相机，照搬比较正规的做法还是有必要的）。 在Examples.unity的River/DepthCache Demo中有具体使用。 6.4 Validate验证系统 该插件有一套自己的验证系统。 public interface IValidated { bool Validate(OceanRenderer ocean, ValidatedHelper.ShowMessage showMessage); } 当参数配置缺失或错误时，该验证系统将通过showMessage函数跳出报错GUI，以方便使用。 6.5EmbeddedAssetHelpers 直接在MonoBehaviour上显示和编辑ScriptableObject对象参数，用的Cinemachine实现 EmbeddedAssetHelpers.cs // This file is subject to the Unity Companion License: // https://github.com/Unity-Technologies/com.unity.cinemachine/blob/593fa283bee378322337e5d9f5a7b91331a45799/LICENSE.md // Lovingly adapted from Cinemachine: // https://github.com/Unity-Technologies/com.unity.cinemachine/blob/593fa283bee378322337e5d9f5a7b91331a45799/Editor/Utility/EmbeddedAssetHelpers.cs 海洋洋流https://en.wikipedia.org/wiki/Ocean_current 潮汐https://en.wikipedia.org/wiki/Tide 官方文档https://crest.readthedocs.io 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/95917609