游戏引擎中的粒子系统

一、粒子基础

粒子系统里有各种发射器（emitter），发射器发射粒子（particle）。

粒子是拥有位置、速度、大小尺寸、颜色和生命周期的3D模型。
粒子的生命周期中，包含产生（Spawn）、与环境交互以及死亡。设计中很重要的一点是要控制场景中粒子的数量。

粒子发射器有三个作用：

• 具体规定粒子产生的规则
• 具体规定粒子模拟的逻辑
• 描述如何渲染粒子
  

粒子系统经常有不止一类发射器，比如火堆这个系统中有火焰、火星和烟雾三种发射器

关于粒子的产生，位置上可以分为单点产生、在区域上产生和在mesh上产生三类；

在模式上也可以分为连续产生和间歇性产生等

粒子的模拟：

1、常规的受力

2、粒子如何变动，一般使用显式欧拉法就行。受力状态决定加速度，决定速度的更新，速度决定位置的更新
3、模拟时，除了重力，还可以加上粒子的旋转、颜色的变化、大小的变化以及和环境的碰撞等

粒子的形状一般有三类：

1、Billboard Particle。这种粒子由一些面片构成，其形状其实只有一面，但它始终保持面向摄像头，所以看起来是一个3D的粒子。如果这个particle比较小就无所谓，但如果比较大的时候建议是其形状也会随时间而变化，不然比较假

2、Mesh Particle。要模拟散的碎的粒子时往往直接用3D mesh当做粒子，然后给它们设置各种不同类别的随机属性，从而艺术家也更容易实现想要的效果

3、Ribbon Particle。样条形粒子，其实粒子是样条上的控制点，然后通过连接获得完整的条状。往往使用在比如武器挥舞的残影之类的地方。在控制点连接过程中需要插值，不然每一个连接点间的形状是不连续的（看起来像一个个四边形拼在一起）。一般使用向心的catmull-rom插值（在粒子间加入额外的分割块且数量可自己选定，不过对CPU要求会变高）

二、粒子渲染

2.1 粒子排序

常见的透明融合问题在粒子渲染处也需要解决，排序一定要从远到近。

粒子排序有两种方式，一种是全局法，完全按粒子个体来排序，很精准但消耗巨大；另一种是按层级，从简单到复杂的排序是依照粒子系统排序、依照emitter排序和在emitter之内排序。
具体来说，如果依照粒子排序，则按粒子离相机的距离排序；如果按系统或发射器排序，则按Bounding box排序。

2.2 Low-Resolution

另一方面，粒子渲染会带来巨大消耗的原因是“全分辨率粒子”。当我们渲染普通场景时，由于Z-buffer的帮助，其实只需要渲染接触到的场景的第一个物体（其他被遮挡不需要渲染），但粒子效果有时候（最差情况下）会在一瞬间产生叠满整个分辨率好多层的粒子，而且它们不存在完全遮挡关系，所以相当于一下子要进行超大量的渲染。

overdraw:同一个像素被绘制了多少次。

解决方案是：
降分辨率下采样进行粒子的渲染，此时与原场景无关，获得粒子的颜色和透明度alpha。然后再上采样融合到原场景中。

三、GPU粒子

从上面的所述可以看到，粒子计算功耗很大，所以放到GPU中是一个解决方案，原因有三：

• 高并行运算，适合大量粒子的模拟计算
• 可以释放CPU功耗来进行游戏本身计算
• 方便获得深度缓冲来做遮挡判断

但有一个难点是粒子拥有生命周期，会不断产生消失，所以如何在GPU中实现粒子是一个难点。

解决方案：

Intial State
先建立一个粒子池，设计一个数据结构，设定系统包含的粒子总数量，每个粒子的位置、速度等。再有两个list，一个是Dead List，记录当前死亡的粒子，初始时包含所有粒子序号，还有一个是alive list，记录当前活着的粒子，初始时为空。
比如emitter发射了5个粒子，则从池子结尾取5个粒子（序号）放入alive list，同时把dead list的后5个序号清空。

Simulate
当时间跳转到下一次tick时，会新建一个alive list1，并依序检索alive list中的粒子，如果发现某个粒子死亡了，就会把这个粒子序号移到死亡列表中，并且在渲染时也跳过这个粒子，如果仍存活就照抄到alive list1中。
这个操作因为compute shader的发明变得容易，因为compute shader可以进行原子级操作。
同时，在更新完活着的粒子之后，还可以利用GPU进行frustum culling视角剔除（针对活着的粒子），并且计算它们的距离，写入距离buffer。

Sort, Render and Swap Alive Lists

接着，还需要进行排序、渲染和交换alive list：
1、排序。根据距离buffer对活着的剔除后的粒子排序
2、渲染。对排序后的粒子渲染
3、交换。交换alive list1和alive list，更新存活列表。

具体来说排序。GPU的排序类似归并算法，复杂度为nlogn。采取的方式是针对目标序列（排序后）的每一个位置设置一个线程，考虑它应该从两个列表中哪个取得。这样做会比每个源列表位置一个线程去考虑插入到哪里更简单，因为后者会让“写过程”跳来跳去不连续 。

同时利用深度缓冲还可以进行碰撞的检测，具体：
1、把粒子的当前位置投影到上一帧的屏幕空间纹理坐标（相当于投影到上一帧相机坐标系？）
2、读取上一帧的深度纹理图中的深度值
3、检查1和2中的深度值，判断是否碰撞了但又没完全穿过去（厚度值会被用到）
4、如果碰撞发生了，就计算碰撞表面法向和粒子反弹的方向

四、粒子应用

直接利用粒子来模拟物体，比如鸟群、大地图下行走的路人（因为很小），此时同样也有骨骼，但基本上每个顶点只受一个节点限制（简化版人体）。

在这种情况下，我们可以把原本一个例子的加速等行为换成更复杂的人体姿态动作，相当于每个particle设置了一个状态机。我们把这个particle的各种状态和对应的速度等属性的情况设置成一张纹理图。当particle的属性变化时就从纹理图中找到对应的状态不断切换。

Navigation Texture。在上述基础上，可以利用一个粒子一个人来模拟一个导航纹理图。具体来说，利用SDF来避免人走入建筑物内，然后依次也可以设定一个方向纹理图，当我们给一个粒子设定目的地和初始速度后，它会根据DT的场驱动着往目的地走。当然，过程中可以加一些随机性。

粒子系统在游戏中的应用早起是“预设型”，即在最初就设定好particle可能的行为，并用stack来表示和存储；后来又有“基于图“的设计，减少代码量增加灵活性；最好的是两者混合型，如下图：