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Niagara

官方示例

从 epic 虚幻商城中下载官方示例项目，这个项目里面有很多 UE 提供的功能示例，其中就包括 Niagra 的示例

找到 Simple_System 文件，这个就是最简单的 Niagara

Niagara 运作需要一系列脚本，包括蓝色、绿色、橙色三种

颜色	作用
蓝部分	它控制粒子系统的整个生命周期。系统生成控制系统生成的第一帧上发生的事情，系统更新是此后每一帧运行的逻辑。当数据从 system -> emitters -> particles 时，系统中的其他发射器和粒子都可以访问此处创建的属性
橙色部分	橙色部分将对系统中的每个发射器执行。每个发射器都有一个类似的生成和更新脚本。这就是我们控制系统中每个单独发射器的生命周期的地方。我在循环吗？我只玩一次吗？我可以产生粒子吗？如果是，有多少？这些是发射器脚本试图回答的问题类型
绿色部分	绿色粒子脚本将为发射器中的每个单独粒子独立运行。粒子生命的第一帧为粒子繁殖，此后每帧都会更新粒子。在粒子生成和粒子更新中都有许多内置行为（称为模块），可以通过每个脚本标题旁边的彩色“+”框访问，也可以右键单击模块并选择 "insert above" 或 "insert below"

尝试修改 Life Cycle Mode

以 Emitter 的 Life Cycle Mode 为例，在 Simple_Emitter 粒子发射器中，有一个 Emitter State 粒子状态，可以通过这个设置 Life Cycle Mode 粒子的生命循环模式：System 或者 Self

Mode	作用	样例
System	跟随蓝色系统的 System State 中的 Loop Behavior 走
Self	自行设置生命周期，选择之后会多出一些设置选项

如果我们将 Simple_System 中 System State 的 Loop Behavior 设置为 Once， Loop Duration 设置为 1，可以得到如下效果

设置后	设置前

可以观察到，设置后的发射器跟着 System 的设置，在 1s 之后便不再发射例子

若此时，将 Emitter State 的 Life Cycle Mode 设置为 Self，并将 Loop Behavior 设置为 Infinite 就又能得到之前无限发射的效果了

为什么需要设置粒子发射器的 Life Cycel Mode 跟随 System 走呢？

Emitter State 的 Life Cycle Mode 是用来确定发射器的生命周期是由自身还是由所属的系统管理的

• 如果选择 System，那么发射器的循环、存在时间和消亡都会跟随系统的设置。这样做的好处是可以提高优化程度，避免不必要的计算和资源浪费

• 如果选择 Self，那么发射器可以独立控制自己的生命周期，可以设置不同的循环模式、循环时长、循环延迟和非活动响应。这样做的好处是可以增加灵活性和创造性，可以实现不同的效果

如果存在多个粒子发射器，并且生命周期相同，可以直接设置与 System 相同即可

那么如何创建粒子发射器呢？

直接在蓝图中右键即可创建粒子发射器

UE 提供一些粒子发射器的模板，可以自己尝试；同时也可以创建空的粒子发射器，自行设置

简单的 Sprite 粒子发射器（Sprite Emitter）

首先就是基于 Empty 模板创建一个发射器

分析表现效果，从起点发射粒子，粒子向上移动，并且粒子的大小会周期性变化(从大到小，再到大，最后变小)，粒子的透明度也会周期性变化

1. 发射粒子

在 Emitter Update 中添加 Spawn Rate

SpawnRate 可以配置每秒生成的粒子数目

Niagara 系统中 Emitter Update 是发射器组的一个阶段，它会在发射器被激活的每一帧中触发。Emitter Update 的触发频率取决于游戏的帧率，也就是每秒的帧数 (FPS)。一般来说，FPS 越高，Emitter Update 触发的频率就越高，反之亦然

Emitter Update 阶段的作用是更新发射器的状态和属性，比如位置、旋转、缩放、速度、加速度等。Emitter Update 阶段中的模块可以读取和写入发射器命名空间中的参数，也可以读取系统、引擎和用户命名空间中的参数。Emitter Update 阶段还可以创建和使用数据接口，从外部数据源中提供数据

1. 给粒子添加速度

在粒子生成(Particle Spawn)的时候添加速度，此时会出现上图右边的报错，这需要添加一个解算器，直接点击第一个 Fix Issue 即可

1. 设置粒子初始化信息

属性名	作用
Lifetime Mode	粒子生命时间类型，随机或者指定
Lifetime	粒子生命时间
Color Mode	粒子颜色模式，不设置、指定颜色，随机颜色区间
Position Mode	粒子位置模式，可以不设置、指定绝对世界坐标、指定相对偏移
Mass Mode	粒子质量模式，可以不设置(默认值1)、指定质量、随机质量
Sprite Size Mode	粒子初始大小

这里例子中 Sprite Size Mode 需要设置一下，否则粒子太小了看不到

1. 设置粒子的大小周期性变化

因为粒子的渲染是 Sprite，所以设置 Scale Sprite Size

通过设置变化曲线，可以定义粒子的大小变化

1. 设置粒子的透明度周期性变化

通过添加 Scale Color 可以设置透明通道

通过上图的设置，可以将粒子的透明通道值变化通过曲线的方式来设置

简单的多边形发射器（Mesh Emitter）

5.2 的示例项目中表现效果并不相同

重点：自定义属性

初始化粒子不仅可以初始化简单的点属性（如 lice cycle 或 color），还可以初始化渲染器特定的属性（如 mesh scale 或 sprite scale）

在这个粒子中，我们初始化网格比例，以及该网格的初始方向，然后随着时间的推移更新这些初始值

1. 首先渲染部分需要设置成 Mesh Render

1. 初始化属性

设置初始大小和生命周期

1. 基本设置：Spawn Rate、Add Velocity

别忘了添加解算器

1. 设置 Mesh 的旋转

需要添加两个操作：Initial Mesh Orientation 和 Update Mesh Orientation，也就是初始化旋转和每帧更新旋转

在初始化 Mesh 的旋转角度时，设置朝向类型为 Orient to Vector 值为 Velocity，也就是朝向的方向

在每帧更新 Mesh 的旋转角度时，由于设置朝向为速度方向，所以 X 轴指向速度方向，因此如果想要 Mesh 自旋每帧修改 X 轴旋转即可

1. 修改 Mesh 的初始移动速度

当旋转角度设置完毕之后，我们可以得到一个类似 DNA 旋转的粒子特效

但是这个与我们目标的有些许差距，我们目标的粒子效果是粒子会摆动，就是如下图所示的效果

因此，粒子的初速度就不能是固定的 (0, 0, 100)，这个初速度需要叠加一个旋转方向

但是如何将计算的方向缓存下来呢？参考类会将一些数据做成属性，粒子系统也有属性

从上图可以看到粒子系统的属性，如果没看到需要点击 System 或者 Emitter 蓝图节点

属性中有一些带锁的属性用红框框出，这表示这些属性是系统提供的无需也无法设置

• System Attributes 就是系统属性，跟着 System 节点走
• Emitter Attributes 就是粒子发射器属性，跟着 Emitter 节点走
• Particle Attributes 就是粒子互行，跟着 Particle 节点走

根据 System、Emitter 和 Particle 三者的关系，System Attributes 作用域最大，其次是Emitter Attributes，最后是Particle Attributes

回归到当前的目标，我们期望粒子的初速度能够随时间进行 sin 的变化，所以应该是在 Emitter Attributes 中创建变量存储一个根据时间变化的值，并且在粒子初始化的时候设置给速度

根据上面两步操作，在 Emitter Attributes 中创建了 SineWave 变量，并且在发射器的 Update 中设置其值随着 Emitter 的 Age 进行 Sine 计算变化，得到一个周期性变化的数值

最后就是在 Particle Spawn 的时候，设置其速度为 Rotate Vector

Rotate Vector：Rotate a vector using Euler AnglesCompiled Name: Rotate Vector

给 (0, 0, 100) 的速度添加一个旋转

最后得到目标效果

GPU 发射器

模拟方式	作用	优点	缺点
CPU	CPU 模拟是指在 CPU 上执行粒子模拟的计算，然后将结果传递给 GPU 进行渲染	CPU 模拟的优势是可以访问更多的数据源，比如角色的骨骼信息、碰撞检测、物理系统等	CPU 模拟的缺点是性能较低，因为 CPU 的并行能力有限，而且 CPU 和 GPU 之间的数据传输会造成额外的开销
GPU	GPU 模拟是指在 GPU 上执行粒子模拟的计算和渲染，几乎不需要 CPU 的参与	GPU 模拟的优势是性能较高，因为 GPU 的并行能力强，而且减少了 CPU 和 GPU 之间的数据传输	GPU 模拟的缺点是数据访问受限，比如无法直接获取角色的骨骼信息、碰撞检测、物理系统等

大多数 Niagara 功能在 CPU 和 GPU 下都可以工作，但是有些功能的行为不同，比如 GPU 计算碰撞有更高的性能但是不太精准；某些渲染器，例如 light renderer 和 ribbon renderer 目前只能在 CPU 上处理

需要注意的是只有 Particle 脚本，也就是绿色部分在 GPU 上运行。 System 和 Emitter 脚本仅在 CPU 上执行，所以 System 和 Emitter 无法采样纹理或者查询场景距离场

使用 GPU 模拟的时候需要考虑设置 Emitter 的 Fixed bounds

Fixed Bounds 是一个用来限定粒子效果范围的矩形框，它由最小值和最大值两个三维向量定义。Fixed Bounds 的作用是告诉虚幻引擎，粒子效果不会超出这个矩形框，从而优化渲染性能和避免剔除错误

通过 Bounds 可以查看边界

GPU 模拟需要设置 Fixed Bounds 的原因是，由于粒子模拟是在 GPU 上完成的，系统无法获知效果的范围有多大。如果不设置 Fixed Bounds，系统会使用默认的边界，可能会导致粒子效果被错误地剔除或者不可见。因此，设置 Fixed Bounds 是 GPU 模拟的一个重要步骤，它可以保证粒子效果的正确显示和性能优化

除了 Niagara 之外，Mesh 也存在这样的包围盒，需要通过包围盒是否在视界中来判断是否需要渲染

通过设置可以显示出 Mesh 的边界，通过设置 Mesh 的 Bounds Scale 可以设置边界大小。如果角色移动速度过快，导致 Mesh 的包围盒与视口来不及计算会导致物体突然出现的 Bug，此时设置 Bounds Scale 更大即可

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如何切换 GPU 模拟 和 CPU 模拟

需要关注一个配置那就是: Determinism，这个参数可以配置真随机和伪随机，值为 False 表示真随机

随机	作用	效果
真随机	无法预测的随机事件或数值，它们不受任何规律或算法的影响
伪随机	看似随机实质固定的周期性序列，它们是由算法或函数根据一个初始值（种子）来生成的,伪随机的优点是可以快速、高效、可重复地产生随机数

从上面的表现来过，伪随机每次得到的表现效果相同，真随机每次表现都不相同

接下来要实现入上图所示的粒子效果

这里要用到一个重要的节点 Curl Noise Force

Curl Noise Force 是一个用来给粒子添加随机扰动力的模块，它可以模拟流体、烟雾、火焰等效果。Curl Noise Force 的原理是使用卷曲噪声场（Curl Noise Field）来计算粒子的加速度，卷曲噪声场是一种具有无散性和无旋性的噪声场，它可以避免粒子聚集或分散，保持流体的连续性

参数	作用
Noise Frequency	此参数决定卷曲噪声场的频率，值越大，噪声场的频率越高，粒子的扰动力越强
Noise Strength	此参数决定卷曲噪声场的强度，值越大，粒子的加速度越大，运动越快
Pan Noise Field	此参数决定卷曲噪声场是否随时间变化，值越大，噪声场的变化速度越快，粒子的运动越不规则
Randomization Vector	此参数决定卷曲噪声场的随机向量，它会与随机种子相乘，影响噪声场的方向和形状
Random Seed	此参数决定卷曲噪声场的随机种子，它会与随机向量相乘，影响噪声场的方向和形状

Curl Noise Force 是一个向量场，就是所有的粒子都有一个特定的力的方向，只要在这个场的区域内

具体概念只能自行了解，解释不清…

因为生成粒子要在一个球形范围内，所以需要添加 Shape Location，表示在一个 Shape 的范围内生成

通过上图设置，粒子会在一个半径为 10 的球形范围内生成

添加前	添加后

由于单纯应用向量场导致最后粒子飘的过于散开，可以添加 Drag 节点来给粒子添加一个阻力

将阻力直接应用于粒子速度和/或旋转速度，而与质量无关

添加前	添加后

生成粒子 除了使用 Spawn Rate 之外还可以使用 Spawn Burst Instantaneous 来瞬间爆发性产生指定数量的粒子

上图表示在一开始第 0 秒的时候直接生成 3600 个粒子

最后给粒子添加上一个随时间变化的颜色曲线

此时得到的效果与目标效果还是存在一定差距，因为此时粒子最后会四散分开，而目标效果的粒子似乎被某个点吸引会有一个返回的效果

所以此时需要添加一个 Point Attraction Force

Point Attraction Force 是一个用来给粒子添加一个指向某个点的吸引力的模块，它可以模拟重力、磁力、吸引或排斥等效果

属性	作用
Attraction Strength	此参数决定吸引力的强度，值越大，粒子受到的吸引力越大，运动越快
Attraction Radius	此参数决定吸引力的有效半径，只有在这个半径内的粒子才会受到吸引力的影响
Falloff Exponent	可以调节粒子受到的吸引力的大小和分布，影响粒子的运动轨迹和形态。值越大，吸引力随着距离的增加而下降得越快，粒子越容易聚集在吸引点附近；值越小，吸引力随着距离的增加而下降得越慢，粒子越容易分散在吸引点周围
Kill Radius	用来限制粒子生存范围的属性，它表示粒子距离吸引点的最小距离，如果粒子进入这个距离内，就会被杀死，可以控制粒子的数量和分布，避免粒子过多或过密地聚集在吸引点附近，造成性能下降或视觉效果不佳
Attractor Position	吸引的点的坐标
Attractor Position Offset	吸引的位置偏移

最后就可以得到目标效果了

使用 CPU 模拟	使用 GPU 模拟
更新平均耗时 1.04ms	更新平均耗时 0.04ms

粒子贴图基础方向设置

使用 Shape Location 设置创建的 Sprite 在一个球形范围

生成的 Sprite 其实是一个面片，Sprite 会让自己始终面向玩家，所以上图的 Sprite 看起来像一个球，其实本质上是一个始终朝向相机的圆

从 Sprite Render 中 Facing Mode 的设置可见一斑，默认为 Face Camera

当我们将 Facing Mode 设置为 Custom Facing Vector，在 5.2 版本设置后 Sprite 仍会朝向相机，但是之前的版本不会

可以使用 set new or exising parameter directly 对粒子、发射器、系统的值进行设置修改

粒子系统的 set new or exising parameter directly 只能修改粒子相关的属性

在 Particle Update 中设置 Sprite Facing 为 (1.0, 0, 0)

通过设置 Sprite 的 Facing Mode 和 Sprite Facing 可以设置 Sprite 的朝向

本地坐标与世界坐标

使用世界坐标系	使用本地坐标系

使用世界坐标系时粒子会不会跟着粒子系统移动，使用本地坐标系时粒子跟随粒子系统移动