Unreal中的烟雾火焰流体模拟

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前言

前几周介绍了Unreal引擎中集成的Nvidia GameWorks游戏开发工具Flex。本周继续给大家介绍其中另一个流体模拟工具Flow。Nvidia Flow是一个基于GPU的实时流体模拟工具，它采用了动态网格的方式模拟流体的运动以及物理碰撞等效果。在模拟过程中，它利用了D3D 11中的Volume Tiled Resources实现动态网格模拟。然后，采用Ray Marching以及Color Map等方法对该Volume进行绘制。因此，它能实时地模拟火焰、烟雾等流体与场景中实体交互的逼真效果。

开源库链接：
https://lab.uwa4d.com/lab/5b85680302004fb65975d352

下图显示了在Unreal引擎中使用Flow模拟的各种效果：

（1）烟雾与物体碰撞交互

 

（2）F形状的火焰

 

（3）燃料逐渐燃烧

 

（4）烟雾产生的自阴影

 

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使用方法

在Unreal引擎中使用Flow插件非常容易。首先需要将NvFlow的插件集成好，并在Unreal引擎的Plugins设置中开启它：

然后，即可在工程中使用该插件的功能。本文以Unreal引擎中的默认场景为例，介绍Flow的使用方法。使用Flow制作流体时，需要使用两种特殊的Component：FlowGridComponent以及FlowEmitterComponent。

2.1 FlowGridComponent
Grid是上文中提到的动态网格，它是Flow工具中用来模拟动态流体的结构。FlowGridComponent则是用于在场景中设置Grid所占区域体的大小以及Grid分辨率的组件。使用FlowGridComponent需要先创建FlowGridAsset。创建方式如下图所示：

双击FlowGridAsset即可打开编辑器进行设置：

如上图所示，在FlowGridAsset中可以设置Grid的大小、分辨率、使用内存以及粒子相关的参数。参数的具体含义读者可参考官方文档，本文不再赘述。在默认情况下，FlowGridAsset的设置可以用于模拟火焰的效果。然后将该资源拖入场景，即可在场景中创建相应的FlowGridActor。选中该Actor可以看到其包含的Grid所占场景的范围：

如上图所示，蓝色方框即为场景中FlowGridActor有效范围的可视化结果。

2.2 FlowEmitterComponent
Emitter是场景中的粒子发射器，发射出的粒子会通过Grid进行运动的计算和模拟。使用FlowEmitterComponent需要先在场景中创建一个静态模型，然后通过添加蓝图脚本创建蓝图资源：

然后，对该蓝图资源添加FlowEmitterComponent：

并将该StaticMeshComponent的碰撞预设值改为Custom，同时将Flow那一类型的碰撞设置为Overlap：

最后，将该蓝图拖入场景即可。在控制台中输入FlowVis，还可以查看运行时Grid的使用情况：

 

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性能测评

Flow由于需要D3D 11的支持，因此目前仅支持PC端的应用。我们利用UWA的性能测评工具对其进行了测试。测试设备参数如下：

CPU：Intel(R) Core(TM) i7-6700HQ
GPU：NVIDA Geforce GTX 1070
OS：Windows 10

本文一共测试了Nvidia Flow Sample工程中的10个场景。在测试设备上，测试场景的总体性能良好，CPU耗时很低：

由上图可知主线程耗时相对较低，渲染线程耗时相对较高。而通过渲染线程的耗时堆栈可以发现，其主要耗时是在等待GPU渲染结束：

由此可见该工具在计算模拟时CPU端耗时很少，主要耗时是在GPU端。

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总结

本文对NVIDIA GameWorks Flow在Unreal引擎中的使用进行了介绍。并对其性能进行测评和分析。该工具利用了GPU对流体进行模拟，因此其CPU端耗时很低，非常适合PC端使用。由于该流体模拟利用了D3D 11的API，目前该功能也只能在PC上使用，无法支持移动平台。

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