## ? Reactive Snow 互動雪地

可互動雪地材質 https://www.bilibili.com/video/BV1wt411m7L7

Creating Snow Trails in UE 4 https://www.raywenderlich.com/5760-creating-snow-trails-in-unreal-engine-4

Creating Interactive Grass in UE4 https://www.raywenderlich.com/6314-creating-interactive-grass-in-unreal-engine-4

實現(xiàn)雪地足跡的基本思路：

• 為足跡創(chuàng)建渲染目標，這是一個灰度遮罩，其中白色代表著足跡，黑色代表非足跡。

• 將渲染目標投影到地面，然后用它來混合紋理以及置換頂點，使得雪地有下陷效果。

但是，需要一種方法找到那些可影響雪的物體，可以先把對象渲染到自定義深度（Custom Depth）緩沖區(qū)，再使用一個帶有后期處理材質的 SceneCapture 對所有渲染到自定義深度的對象進行遮罩，然后再把遮罩輸出給渲染目標。

SceneCapture 的關鍵是它放置的位置。假如，是頂向下視角記錄場景并輸出給渲染目標，那么對于球體，它只是底部著地，但是頂視角會認為整個球體投身到地址的部分都是被遮罩的區(qū)域。

所以，SceneCaptue 攝像機應該從底部捕捉場景，也就是接觸地面的角度拍攝。要判斷物體是否接觸地面，使用后期處理材質進行深度檢測。這個檢測會告訴我們物體是否高于地面深度且低于指定的偏移量。如果這兩個條件均為 True，我們就可以為這一像素遮罩。

要進行深度檢測，我們需要兩個深度緩沖區(qū)。一個針對地面；另一個針對影響雪的物體。因為 Scene capture僅能看到地面，場景深度（Scene Depth）緩沖區(qū) 將會輸出地面的深度。要獲取物體的深度，我們只需要將它們渲染到 自定義深度（Custom Depth）緩沖區(qū)

示范項目基于 UE4 w?ThirdPerson Shooter 模板，互動雪地功能基本邏輯：

• 創(chuàng)建一個 Actor 藍圖，命名為 *RenderTarget_BP*，添加并使用 SceneCaptureComponent2D 組件來捕捉三維場景中的信息。

• 創(chuàng)建一個 Material Parameters Collection 命名為 *SnowMPC*，用于向雪地材質*Snow_Mat*傳遞玩家坐標，使用`SetVectorParameterValue`方法。

• 在 BeginPlay 事件中，通過 `SetScalarParameterValue` 將 SceneCaptureComponent2D 組件的 OrthoWidth 投影寬度寫入 *SnowMPC*。

• 與玩家坐標綁定，在 Tick 事件中，使用 `GetPlayerCharacter` 和 `GetActorLocation` 獲取玩家的坐標位置，并使用 `AddActorWorldOffset` 方法更新到 RenderTarget_BP 本身的坐標。

• 創(chuàng)建兩個 RenderTarget 用來存儲玩家的足跡，一個命名為 *RenderTarget*，另一個命名為 *RenderTargetPersistant*。

• 創(chuàng)建一個材質命名為 *DrawToPersistant* 用來裝入 *RenderTarget* 材質采樣。

• 再利用 UPrimitiveComponent 提供的 `CreateDynamicMaterialInstance` 方法創(chuàng)建動態(tài)材質，通過 `DrawMaterialToRenderTarget` 將其繪制到 *RenderTargetPersistant*。

• 創(chuàng)建一個 WidgetBlueprint 用來在屏幕上顯示玩家足跡，只需要添加一個 Image 組件，設置 Brush -> Texture 為 *RenderTarget*。

• 雪地材質*Snow_Mat*只是簡單地使用白色模擬雪地，使用深棕色模擬土地，它們通過 LinearInterpolate 進行線性插值，Alpha 輸入的插值控制來自 *RenderTarget* 記錄的足跡數(shù)據(jù)，并經(jīng)過自定義材質函數(shù)*MaskUV*處理。

• 使用 WorldPosition 獲取雪地中像素坐標，并與玩家當前的坐標進行差值處理。

• 在 ThirdPersonCharacter 角色的 BeginPlay 事件，使用 `Create Widget` 創(chuàng)建其實例，再 `AddToViewport` 添加到場景中。
  

工程中使用了三個材質，材質混合模式及著色模式如下：

• *Snow_Mat* 雪地材質，Surface 材質域，Opaque + Default Lit 模式，Two Sided；

• *DrawToPersistant* 繪圖用的材質，Surface 材質域，Opaque + Default Lit 模式，用于繪制 RenderTarget 的材質；

• *Mat_Depth* Post Process 材質域，使用*SceneTexture*材質表達式的 CustomDepth 和 ScreenDepth 紋理，用來測量渲染深度；

后期處理材質需要指定材質域為 Post Process，并且，后期處理材質只能使用自發(fā)光顏色（Emissive Color）輸出新顏色。此外，可以定義在后期處理過程中應在何處應用此通道(Blendable Location)，如果有多個通道，則應按什么順序處理（Blendable Priority）。

*RenderTarget_BP* 內部的 *SceneCaptureComponent2D* 組件需要使用深度測試材質 *Mat_Depth*，其邏輯說明：

• 使用 *SceneTexture* 材質表達式的 CustomDepth 和 ScreenDepth 紋理的 R 分量，求其差值，并除以 25。

• 即如果某像素距地面 25 個單位以內，那么它將被遮罩。遮罩的強度（masking intensity）依賴于像素和地面的距離。

• ?再通過 *Saturate* 節(jié)點范圍到 0 ~ 1 的范圍，并使用 *OneMinus* 求反值。

• 將上面的標題值和 RenderTargetPersistent 的 RGB 矢量相加，這一步混合了舊的足跡數(shù)據(jù)。

• 將結果輸出到 Emissive Color，這作為后期處理材質的專用通道。

添加對象到場景時，默認會開啟 Rendering -> Render CustomDepth Pass。這個單獨的特性通過將某些對象渲染到另一個深度緩沖區(qū)（CustomDepth）來屏蔽它們。 這增加了額外的繪制調用，但不使用更多材質。渲染相當便宜，因為我們只輸出深度。

材質參數(shù)集合 SnowMPC 傳遞了兩個參數(shù)：

• SceneCaptureComponent2D 組件的 OrthoWidth 投影寬度，標量。

• RenderTarget_BP 對象的 Actor Location，四三維矢量。
  

設置 *RenderTarget_BP* 內部的 SceneCaptureComponent2D 組件：

• Projection 部分：

• Projection Type -> Orthographic 正交投影

• OrthoWidth -> 2048 像素的矩形（大概覆蓋20m范圍）
  

• Scene Capture 部分：

• Texture Target -> *RenderTarget*

• Capture Source -> Final Color (LDR) in RGB
  

• Post Process Volume ->?Rendering Features 部分：

• Post Process Materials 的數(shù)組設置中，添加 *Mat_Depth*；
  

將 *RenderTarget_BP* 添加到場景內，并設置：

• Location? -> (0, 0, -2000)

將 *RenderTarget_BP* 添加到場景內，并設置 Location 為 (0, 0, -2000)，目的是將 SceneCapture 攝像機放到地面以下，使用底視角來捕捉做深度測試的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為保存到 Scene Capture 設置的 Texture Target 對象上。

兩個 RenderTarget 對象的數(shù)據(jù)流向如下，主要是通過 RenderTarget_BP 各個方法處理：

*RenderTarget* -> DrawToPersistant -> *RenderTargetPersistent* -> Mat_Depth -> RenderTarget_BP -> *RenderTarget*。

如果不通過 *RenderTargetPersistent* 使足跡持久化，那么每次心跳事件中，新的足跡都會覆蓋掉 *RenderTarget* 原有的足跡。所以，需要一個渲染目標作為持久化緩存（persistent buffer），在足跡被覆蓋之前把它存儲到持久化緩存中。然后再通過 *Mat_Depth* 把持久化緩存返回給 SceneCapture，所以再次捕捉到的深度信息就會包含持久化的足跡。這樣我們就得到了兩個渲染目標互相寫來寫去的循環(huán)結構，它就是實現(xiàn)持久化的方法。

因為渲染目標也是消耗內存，分辨率要盡可能低，以充分利用內存空間。使用 *PixelWorldSize* 表示一個像素對應多大的實際面積。

對于雪地上的足跡，不需要那么多的細節(jié)，使用不需要 1:1 的比例。筆者建議使用更大的比例，這樣就能把低分辨率的渲染目標用到更大的捕獲區(qū)域上。注意，也不要用太大的比例，那樣會損失細節(jié)。本例中，使用 8:1 的比例，即一個像素對應 8×8 的世界單位。注意，渲染目標默認的分辨率是256×256。通過 Scene Capture -> Ortho Width 指定捕獲區(qū)域大小，在 Perspective 投影方式下無效。比如，想捕獲 1024×1024 的區(qū)域，因為使用的比例是 8:1，所以將它設為 2048（256×8）。

地面使用的材質，即 *Snow_Mat* 也需要訪問捕獲區(qū)域的大小從而準確投影渲染目標。一種簡單的方式是將捕獲區(qū)域的大小存儲在材質變量集（Material Parameter Collection），這是因為任何材質都可以訪問變量集。

雪地材質細節(jié)面板中的設置說明：

啟用 Two Sided 是因為 SceneCapture 是自底向上看地面，即需要看到它的背面。默認情況下，引擎并不渲染背面，這樣也就無法把地面深度存儲到深度緩沖區(qū)。因此我們要讓引擎對地面進行雙面渲染。

設置 Tessellation -> D3D11 Tessellation 為 Flat Tessellation（使用 PN Triangles 也可以）。 Tessellation 會把網(wǎng)格的三角面分解成更小的三角面。從而有效提高網(wǎng)格分辨率，是我們在頂點置換時獲得更多的細節(jié)。否則，頂點密度過小很難生成生動的足跡。Tessellation 即內嵌，在三角面中分割嵌套小的三角面，提升模型細節(jié)。

開啟 Tessellation 后，材質的 World Displacement 和 Tessellation Multiplier 通道也會被啟用。后者控制內嵌三角面的數(shù)量，本例中不對該通道連接，這意味著使用其默認值 1。

World Displacement 通道獲取輸入的向量值，根據(jù)向量的方向和大小移動頂點。要計算這個引腳的值，我們先得把渲染目標投影到地面。

引擎升級到 UE5EA 引入 Nanite 虛擬微多邊形幾何體，可以處理上億級別的多邊形，可以使用 Photogrammetry 的掃描數(shù)據(jù)和 CAD 數(shù)據(jù)，并且無需制作 LOD 模型。原先的 Tessellation 已經(jīng)被移除，可以使用 Virtual HeightField Mesh 這樣的替代技術。使用 Modeling Tools Editor Mode 建模插件解決靜態(tài)的置換問題，其工具面板 Deform -> Displace 提供了貼圖置換功能。

*Snow_Mat* 材質中，使用 *WorldPosition* 獲取雪地中像素坐標，并計算與玩家當前的坐標差值。因為 SceneCapture 組件放置在地下向上拍攝的視角，所以獲取到的像素坐標需要進行反轉以匹配 RenderTarget 的像素坐標。注意，攝像機的畫面坐標是 X 豎直向上，Y 軸水平向左，朝向 Z 軸正方向，這各視圖的坐標系統(tǒng)是一致的。但是玩家的角度是頂視圖，所以頂?shù)追D方向后，X 軸翻轉 180°。

翻轉后的坐標下步處理就是將以世界中心坐標的 (0, 0) 像素坐標轉換到 UV 坐標系，按渲染目標的尺寸居中，這就需要將坐標和 ShowMVC 接收到 Size 的一半相加。在使用 *MaskUV* 自定義材質函數(shù)過濾前，

這里面對齊 UV 坐標是比較麻煩的部分，因為 RenderTarget?尺寸有限，只能用來顯示玩家當前的活動區(qū)域的足跡。當玩家活動范圍超過其尺寸，就以最后可覆蓋的區(qū)域為準，截斷超出范圍的部分。這樣就需要對紋理的 UV 坐標進行動態(tài)更新，以和玩家的位置一致。工程中，還使用了自定義了材質函數(shù)*MaskUV*，用來，其內部使用了 *Custom* 編寫自定義材質表達，使用 *FunctionInput* 接收一個向量輸入：

if (UV.x < 0 || UV.x > 1 || UV.y < 0 || UV.y > 1)

{

? ? return 0;

}

return 1;

在*RenderTarget_BP*同定義的 *MoveRT* 作用就是用來將玩家的足跡活動轉換到 RenderTarget 尺寸范圍。

其內部還定義了一個藍圖宏，*SnapPixelToGrid*，主要是使用數(shù)學表達式 Math Expression，將輸入的玩家坐標 (PlayerX, PlayerY) 轉換為規(guī)范值，以實現(xiàn)附著：

? ? ((vector((floor((PlayerX / PixelWorldSize))), (floor((PlayerY / PixelWorldSize))), 0)) + 0.500000) * PixelWorldSize

輸入?yún)?shù) PixelWorldSize 就是將 SceneCaptureComponent2D 組件的 OrthoWidth 投影寬度細分為 256 格子，坐標就附著在這些格子的中間。

處理后的坐標會傳遞到材質參數(shù)集體，以供*Snow_Mat*材質使用，并使用 `AddActorWorldOffset` 方法更新 RenderTarget_BP 本身的坐標。

創(chuàng)建一個 WidgetBlueprint 用來在屏幕上顯示玩家足跡，只需要添加一個 Image 組件，設置 Brush -> Texture 為 *RenderTarget*。