01 - 粒子系统
本文将对游戏引擎中的粒子系统做简单介绍，包括粒子基础、GPU粒子、粒子的应用等内容。
粒子基础
最早的粒子系统在电影《星际迷航》中出现，之后才在3D游戏中普遍应用。
概念
粒子（Particle）是粒子系统里最基础的单位，它通常是一个2D精灵贴图或者是3D模型，并且具有下述属性：
- 位置；
- 速度；
- 大小；
- 颜色；
- 持续时间；
粒子的种类
主要有3种粒子：广告牌粒子（Billboard Particle），网格体粒子（Ribbon Particle），条带粒子（Ribbon Particle） 。
广告牌粒子
这种类型的粒子是一个2D贴图，总会面朝摄像机。
网格体粒子
这种类型的粒子是一个3D模型，在生成时可以对它进行随机放缩等操作，体现随机性。
条带粒子
这种类型的粒子由多个粒子控制点组成，会在相邻的粒子控制点之间渲染四边形样式的特效。
使用条带粒子时候需要应用样条曲线插值，否则结果是不平滑的。
生命周期
每个粒子都有它自己的生命周期，从生成到运动到消亡。
粒子的生成
粒子发射器
粒子在粒子发射器中被生成，之后按照特定的规则逻辑进行运动。
多个粒子发射器便组成一个粒子系统。
生成位置
如下图，可以只在一处发射粒子，也能在一片区域、甚至是网格体上发射粒子。
生成模式
也能按需定制粒子的生成模式，例如每帧持续不断地生成粒子，或是在某一时间点全部生成。
粒子的模拟
生成粒子后，就要按照一定的规则来运动模拟了。
粒子可能会受到一些力的作用，例如重力、阻力、风的扰动等。
确定了粒子受哪些力影响后，便能进行逐帧近似计算，在每一帧快速更新该粒子的位置。
此外，有时候还会让粒子和环境互动，这涉及到高效的物理碰撞检测算法。
粒子渲染
透明混合排序
需要按照从远到近的顺序去渲染透明物，否则会在视觉上出错。
粒子系统的排序主要有两种：
- 全局排序：对系统中所有粒子进行排序，然后从远到近渲染。这样做虽然结果准确，但性能消耗大。
- 派生排序：先对系统中的粒子发射器进行排序，然后单独对每个发射器中的粒子进行远近排序。但可能存在渲染次序错误的问题 。
半分辨率渲染
如果直接在全分辨率场景中突然渲染大量粒子，就会造成帧数锐减和性能消耗。为了避免这些不必要的消耗，可以将粒子渲染在长宽减半的降采样图片上，然后通过一些滤波算法升采样并混合至原图中。
GPU粒子
GPU擅长处理海量并发的东西，因此很适合用于管理粒子系统。GPU粒子系统解放了CPU，让它更专心地去处理游戏逻辑，而且也容易从GPU中获得深度缓冲。
框架概览
将粒子的生成、模拟和远近排序从CPU中搬到GPU，在计算着色器上执行相关任务。
基本流程
初始化
初始化阶段需要维护如下数据结构：
- 粒子池：是一个缓冲存储区，在里面存储所有粒子的信息（如颜色，位置等）。
- 凋亡列表：是一个列表，用于标识当前凋亡的粒子，默认是满着的。
- 存活列表：是两个列表，用于标识上一帧和当前帧中哪些粒子还活着。
生成粒子
假设当前生成了5个粒子，就要从凋亡列表中取出5个粒子，将其放入存活列表中。同时分配5个计算着色器线程用于粒子的生成。
模拟粒子
在此阶段，计算着色器为当前存活的粒子进行模拟，然后将数据写到我们维护的数据结构中。例如6号粒子凋亡后，需要将其从上一帧的存活列表中取出，塞入凋亡列表中，然后剩下存活的粒子再放入当前帧的存活列表中。
视锥体裁剪
GPU中还容易做视锥体裁剪操作，需要维护的数据结构如下：
- 一个新的存活列表，用于标识当前摄像机能看到哪些粒子；
- 一个深度缓冲区，用于标识粒子离摄像机的距离。
排序粒子
接下来会根据深度信息从远到近排序存活列表中的粒子，准备渲染。
在GPU上排序常用并行的归并排序，有两种思路：
- 从源数组角度考虑：对于归并前的源数组，每个元素开一个线程，让线程决定这个元素在目标数组的位置。这样做会带来效率降低，因为写操作是内存上不连续的。
- 从目标数组考虑：对于归并后的目标数组，每个元素开一个线程，让线程决定该元素应该来自源数组的哪个元素。这样做是内存友好的，效率较高。
渲染并交换存活列表
接下来就能按存活列表中的顺序渲染粒子了，然后用双缓冲思想交换存活列表，供下一帧计算使用。
环境交互
有的粒子还需要和环境交互，如果直接用物理引擎对全部粒子都算一遍碰撞的话，性能会很差。人们常用屏幕空间的深度信息来进行粒子碰撞的快速近似计算。
高级应用
粒子系统的高级应用。
人群模拟
在街道上走的一个个小人都可用粒子来表现，这需要准备一个支持动画的网格体来充当粒子。
此外，为了让粒子小人做不同的动作，需要在粒子系统中实现一个小型的状态机。
有了可动的粒子小人后，接下来需要给它导航，让它们行走在正确的道路上。这需要导航纹理的帮忙，导航纹理通常有两个：
- 符号距离场纹理，用于标识哪些位置是可通行的，哪些位置是障碍物。
- 方向纹理，用于标识人群行进的方向。
动态变换
例如有一个网格体粒子A，可通过动态程序生成样条曲线的方式，将A分割成其他小粒子，然后再组装成网格体粒子B。
和环境的交互
例如用粒子模拟鸟群，人走进时鸟群会避开人。
设计思想
基于样式预设
早期引擎粒子系统的设计很简单，只需预先设定好粒子发射器的样式等属性即可。但维护比较麻烦，添加一个新特性需要写新的代码。
基于图结构
现代引擎的粒子系统则基于图结构设计，模块化、逻辑清晰且容易维护。
二者混合
也能将二者的优点结合起来，例如虚幻引擎的Niagara粒子系统。
参考资料
- GAMES104 (boomingtech.com)
待阅读的资料
- Programmable VFX with Unreal Engine’s Niagara – GDC 2018
- The Destiny Particle Architecture – SIGGRAPH 2017
- Frostbite GPU Emitter Graph System – GDC 2018
- The inFAMOUS: Second Son Particle System Architecture – GDC 2014 https://www.gdcvault.com/play/1020367/The-inFAMOUS-Second-Son-Particle)
- Compute-Based GPU Particle Systems – GDC 2014
- The Visual Effects of inFAMOUS: Second Son – GDC 2014
- Mergesort - Modern GPU
- A Faster Radix Sort Implementation – Nvidia