粒子系统教程(1)

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目的
    本教程的目的是：
      1，从游戏开发的角度阐述粒子系统的基本概念和实现方法。
      2，使用C++和Direct3D实现一套较完整的粒子系统框架，并结合一些流行游戏和我参与过开发的游戏进行讲解。力求做到简单、易懂。
      3，总结自己对粒子系统的认识和经验，抛砖引玉。
      4，因为目前改行在游戏学院当老师，多写一些资料讲课用。

简介
      早在1960年，就已经有游戏使用2D粒子系统来模拟烟雾。现在，粒子系统已经成为游戏不可或缺的一部分，用粒子模拟的自然现象、魔法效果无处不在。玩家在游戏过程中也容易被随机运动的细小事物吸引，带来更真实的体验。同时游戏引擎的粒子系统代码越来越复杂，需要良好的架构才能应对复杂性和可扩展性。
      在早期开发过程中，有些游戏的粒子效果不是由美术完全控制的。而是由美术提出需求，程序员根据自己的理解硬编码实现。这种做法的缺点显而易见：一是程序员经常理解不透美术的需求（我见过的程序员大部分都欠缺美感），做出的效果不尽人意。二是每种效果都硬编码，不易重用，工作量大。
      为解决上述问题，程序员可以提供粒子编辑器，由美术控制粒子效果。编辑器的灵活度越、高易用性越好，则美术实现的效果越好。同理，游戏的其它模块也需要提供编辑器，由美术来控制整个游戏的风格感觉。图1是我参与开发《乱武天下》时编写的粒子编辑器。




图1 Victory引擎的粒子编辑器，图中所示是一个粒子拖尾
效果，美术可以通过编辑右边的属性来控制粒子外观和行为。

      随后的章节将一步步设计实现一个简单完整的粒子系统。讲解会涉及到对性能和易用性的考虑。另外，教程最后将列出粒子系统对编辑器的需求和今后的扩展思路。完整的源代码将在每章结束处提供下载，代码使用Visual Studio2003进行编译，需要安装DirectX 9.0C。

需求和性能
      在设计粒子系统前，首先要明确它对性能的影响：
      第一，粒子系统会大量增加每帧渲染的三角形数目。假设每个粒子需要4个顶点和2个三角形来表示（公告板），那么场景中飘动的2000个雪花将对系统带来多渲染4000个三角形的负担。如果用模型来表示粒子，带来的开销会更大。
      解决此类问题，要求美术、程序员、策划相互协调，在设计游戏时尽量不要让同时渲染的粒子数目过高。程序员也可以做一些处理，比如说根据当前机器的硬件能力，动态调整粒子数目等等。
      第二，粒子的属性在不断变化，要求每帧更新Vertex Buffer（Lock，Unlock），这引起的CPU-GPU数据传输会影响系统性能。一般来说，在游戏程序里同时被其它渲染任务使用的图形总线（Graphics bus）仅允许基于CPU的粒子系统每帧处理10,000个粒子。为了最小化粒子数据传输，可以在GPU上将模拟和渲染集成在一起处理。
      第三，填充率(fillrate）。填充率即GPU每帧可以渲染的象素数，当粒子很大并且出现好多粒子重叠在一起的情况时会严重影响性能。如图2所示，用差一些的机器玩CS时，经常会因为距离烟雾弹过近而降低FPS。
      由于现在的游戏倾向于使用大量微小粒子模拟更逼真的效果，所以填充率通常不会成为瓶颈。


    图2 CS的烟雾弹造成填充率瞬间升高

      第三，大量粒子的动态分配与释放可能会造成内存碎片和内存错误，影响系统性能。为减少内存操作，可以预先分配好足够多的内存（内存池），当粒子消失后并不真正释放内存，而是把这块内存标识为可用。同样，创建粒子时不需要分配内存，只需使用标识为可用的内存块，并将其标识为正在使用。
      游戏对粒子系统的功能需求越来越复杂，下面列出几种游戏中常见的效果：
      第一，碰撞交互。少量粒子和简单物体的碰撞能够实现即时渲染（例如粒子和平面碰撞，如图3所示），【Kolb04】提出了使用GPU即时模拟大量粒子与复杂模型间碰撞的解决方案（如图4所示），相信随着硬件发展，在游戏里将会大量使这种碰撞。粒子与粒子间的碰撞在游戏中所见不多，通常都是在物理模拟中应用。


      图3 溅出的鲜血粒子与场景、摄像机间做简单碰撞

      图4 GPU处理大规模粒子系统与复杂物体的碰撞

      第二，多种渲染形式。以前通常所说的粒子系统都是由公告板(billboard)来实现，公告板由4个顶点2个三角形构成。随着游戏对画面精细度的要求不断提高，出现了多种渲染方式。粒子可以是模型（如图5）、可以是面向摄像机的拖尾（如图6）、甚至可以是另外一个粒子系统（如图7）。





图5 战地2142不同武器射击地表的粒子效果，
可以看出每个粒子是由石块模型表示的




图6 《战神2》中的红魂和《新鬼武者》里的吸魂特效，
每个粒子都有一条拖尾效果


图7 烟花模拟，每个粒子由另外一个粒子系统表现

第三，粒子的关键帧动画。每个粒子属性都可以使用动画来控制，这样能控制更多的细节，表现更丰富的粒子特效（如图8所示）。同时也能更好的和周围环境做交互，比如在冰天雪地里，角色待机和跑步时的哈气应该是不同的，可以针对不同动作实现不同的粒子动画。《魔兽世界》里可以找到很多粒子动画的例子。


图8《魔兽世界》角色在雪地奔跑时溅起的雪花特效，
此特效的发射率（每秒发射的粒子数目）是一个动画，
关键帧可能是0－某个数值－0。这样就能实现行走时间隔地溅起雪花。




索引
      【Kolb04】Kolb, Andreas; Latta, Lutz; Rezk-Salama, Christof, “Hardware-based Simulation and Collision Detection for Large Particle Systems,” Graphics Hardware Proceednigs 2004.