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UE 破碎方案

破碎效果是游戏中的常见效果，但由于较多复杂的物理计算，通常游戏中都会做离线预先bake的方法来实现破碎，像彩虹六号，Control 这种以破碎为核心体验的游戏，则有专业引擎团队进行大量的物理优化后实现。本文尝试总结了已有一些破碎实现方案，并参考黑客帝国demo后设计的一个半实时模拟的破碎效果，实现实时模拟破碎。

先介绍下已有的方案：（此处参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/608906269）

已有方案

骨骼动画

houdini中用Voronoi fracture制作破碎后通过rbd bullet solver结算动画数据导出为fbx，并在引擎中作骨骼动画播放

顶点动画

houdini中用Voronoi fracture制作破碎后通过filecache节点，Labs vertex animation textures生成vat数据，在houdini中讲VAT材质function迁移到项目中使用。

并将position 和 rotation 两张贴图导入后设置相关材质后，查看破碎效果。

Alembic

使用ROP Alembic Output 将破碎动画导出为abc格式（数据量大）
导入到引擎中，变成几何体缓存，并通过sequence进行播放

chaos

UE5自带破碎系统

前置方案对比

破碎方案	优点	缺点
骨骼动画	骨骼支持二次修改效果可控	碎块越多骨骼数量越多性能消耗越大
顶点动画	基于顶点着色器性能消耗最小	贴图的大小约束了动画数据量的上限
alembic	精度高，兼容性强	体积大
Chaos	碎块与环境的碰撞	碰撞计算量大性能消耗大

可以看到前置方案基本都是预先计算好破碎，并在相应情况下播放相应动画。其中骨骼动画、顶点动画、alembic方案均为离线破碎，无法做好很好的交互效果。chaos虽然是实时物理计算的破碎，但存在消耗计算量大，性能消耗高的问题。
考虑到场景中可能有大量实时玻璃破碎，参考了其他方案后，可以发现：在顶点动画中，可以使用顶点偏移的方式实现mesh的位移，而由compute shader并行计算的Niagara有不少节点可以实现物理模拟，所以可以尝试将Niagara模拟的信息传递到材质的顶点偏移中，实现实时破碎模拟。

Niagara + WorldPositionOffset 实时模拟

技术剖析

破碎部分任然使用预处理的方法提前将碎块碎号，避免Gameplay中大量的实时计算。这个破碎我使用houdini先做默认破碎，并导出pivot painter图到UE引擎。
在Niagara中，我使用pivot painter图的采样，将生成的粒子放置到每个碎片处。然后通过Niagara中的物理模拟，将粒子的物理模拟位置，旋转等信息bake到Pivot painter图上，并传递给Material 做 world position offset 的偏移。

前期处理

houdini处理思路流程图

导入模型（box位置）
通过scatter散点，并通过attributewrangle 设置散点的root。
通过rbd material fracture 对模型根据输入的散点进行破碎。
对每个碎片进行单独设置root命名设置。
根据每个片的内外设置顶点色（内切缝处顶点色设置为1）。

通过houdini自带的pivotpainter工具导出即可。

引擎处理

将处理后的mesh和原mesh及生成的3张PP2贴图导入引擎

Niagara 处理

采样贴图

Initialize Component Variables ：采样PP2贴图生成粒子信息及scale
Calculate Per Particle Render Target UV Location：根据每个粒子的index信息找到其在PivotPainter2贴图中的UV位置，方便下一步读取。
Initialize Component Variables：根据上一步的UV信息读取PP2贴图，并将粒子位置、朝向等设置到对应的世界空间位置，朝向等。（其中读取使用了ms_PivotPainter2_DecodePostion_NF函数）
Calculate Mass and Rotational Inertia by Volume ：根据scale设置碎片的mass

设置物理模拟

写回材质

Control PP2 Mesh Elements Via Niagara：通过Niagara将粒子位置信息烘焙回Texture，内部通过将位置差、旋转信息组合成LinearColor后，根据Calculate Per Particle Render Target UV Location计算到的UV信息，将颜色写入到前者的UV上。
并在niagara材质输出部分将相关的RT和参数传递给mesh的material。

Material 解析

WPO解析

材质核心部分在SkinPivotPainter2MeshesViaNiagaraWAccurateVelocity，里面做了pingpong 采样贴图，更好优化卡顿效果。

通过实时计算出来的PP2 采样将位置信息从世界空间转换为MeshParticle空间，与原来的PP2位置计算差值后转到世界空间得到实时的偏移。

加上原来初始偏移在旋转后的位移差与绝对世界位置（包含WPO）相加，最终减掉实时PP2采样的位置，得到实时PP2的位移，乘上缩放量后再叠加原来的偏移即可达到效果.

其他项解析

直接采样模型顶点色做其他项的lerp实现破碎效果。

最终实现效果：
可以控制玻璃破碎方向及破碎力度等。

总结

破碎方案	优点	缺点
骨骼动画	骨骼支持二次修改效果可控	碎块越多骨骼数量越多性能消耗越大
顶点动画	基于顶点着色器性能消耗最小	贴图的大小约束了动画数据量的上限
alembic	精度高，兼容性强	体积大
Chaos	碎块与环境的碰撞	碰撞计算量大性能消耗大
Niagara+PP2 实时	碎块和粒子近似模拟，效率高	贴图较多，需要较好项目管理