Unity Crest Ocean System源码阅读

HONT2025-12-16 11:36

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，学习下该插件源码。

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没有海底渲染，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。

无吃水线、海底实现。

无船只水体交互，只有深度差泡沫效果，海浪是粒子特效。

- Crest

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，需要自己开关。

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。

基础版本没有吃水线，但有完善海底实现。

船只与水体可配置波浪等交互，海浪是GPU Instancing的内置特效。

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：

复制代码 
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

复制代码 
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。

复制代码 
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：

复制代码 
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

复制代码 
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。

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。

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：

复制代码 
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。

复制代码 
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：

复制代码 
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：

复制代码 
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：

复制代码 
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)。

插件也有一个双下标循环队列实现：SegmentRegistrarRingBuffer

4.4 AsyncGPUReadback

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

4.5 SphereWaterInteraction（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。

复制代码 
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。

4.6 BoatProbes/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。

复制代码 
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：

复制代码 
half4 Frag(const Varyings input, const booli_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.hlsl SampleDisplacementsNormals函数中也有使用）

复制代码 
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。

6.3 OceanDepthCache

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。

复制代码 
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。

6.5 EmbeddedAssetHelpers

直接在MonoBehaviour上显示和编辑ScriptableObject对象参数，用的Cinemachine实现

EmbeddedAssetHelpers.cs

复制代码 
// 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

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