游戏引擎的cpu/gpu粒子系统设计思想-编程知识

开篇

网上有很多篇粒子系统源码解析，但是只是简单的接口罗列，没有从最原理出发去讲清楚粒子系统的来龙去脉，我将从粒子系统的本质去讲清楚它的设计理念，当理解了它的理念以后，很多粒子遇到的问题就会迎刃解决了，这篇文章主讲粒子的实现和一些框架级的优化方式，其实有很多优化细节就不赘述

粒子系统的设计思想

在早期游戏发展的时候，有一些粒子效果是实现一些鼠标特效的，比如《刀剑封魔录》中滑动鼠标后，鼠标本身就会作为一个粒子发射器，在鼠标拖动后，会产生很多粒子并随着时间消亡，这就是最早的粒子系统模型

在早期的桌面系统中实现的粒子全是用cpu在屏幕上渲染的，如果需要世界中的3D粒子，则会将世界坐标转换为屏幕坐标，在屏幕指定位置渲染个粒子，而且这个粒子是每一帧去更新的

我给一个imgui类型渲染系统的粒子伪代码方便大家去理解，每一帧都去更新所有粒子的信息，当然现代游戏引擎粒子实现也类似于此

//定义粒子结构
struct particle{float x;float y;image  img;
}//定义粒子集合
vector<particle> particles//设置粒子位置
void setparticlepositon(particle &p)
{p.x++;p.y++;
}tick::update()  //每一帧更行所有需要渲染的信息
{for(auto i : particles){    setparticlepositon(i);//循环更新粒子位置draw(i);//循环更新粒子绘制}
}

更复杂的话就是定义每个粒子的周期，并定义粒子发射器，另外可以在setparticlepositon中设置更复杂的更新条件

class ParticleEmitter{
protected:void Tick() {Spawn();                //生成阶段:创建新粒子UpdateAndRecycle();     //更新阶段:更新每个粒子的状态数据并回收已死亡的粒子Render();               //渲染阶段:使用粒子渲染器将粒子效果渲染出来}
private:vector<Particle> Particles;};

万变不离其宗，都是源于这个思想

既然有大量相同的粒子，那么结合现代游戏引擎的特性，可以用到实例化（Instancing），将相同的mesh和材质用一套，大大减少了数据量，另外也可以用GPU粒子优化

使用几何着色器做优化

Nvidia在2006年的GeForce 8系列中出了DirectX 10.0，并推出了几何着色器

简单说，就是几何着色器可以把单个顶点扩充成多个顶点，如果粒子的mesh都一样的话，只需要从顶点着色器中传入的单个顶点和扩展规则，就可以生成想渲染的粒子mesh，而并不需要每回传入大量的顶点了

使用之前：

可见每个粒子需要传入五个位置然后生成五角星

使用之后：

想渲染一个五角星只要传入一个顶点，就可以用几何着色器扩充为五角星，大大减少了draw所占的带宽

使用SMID粒子做的优化

关于smid的介绍我前面有篇文章可以看看，这里就不赘述它的原理了

(1条消息) 使用SIMD指令加速计算_星空_MAX的博客-CSDN博客

这种情况试用语cpu对大量粒子计算和更新的情况

unreal引擎的nigara和chaos就是用这种缓存友好的内存布局，和unity的ECS架构原理一样

写个大概的数据结构参考一下：


//定义粒子的组件集合
vector<particle> particlesx;
vector<particle> particlesy;//设置粒子x位置
void setparticlepositonx(particlex &px)
{px++;
}
//设置粒子y位置
void setparticlepositonx(particley &py)
{py++;
}//定义粒子和组件集合
class particle
{vector<particle> *particlesx = particlesx;vector<particle> *particlesx = particlesy;
}//定义粒子集合
vector<particle> particles;tick::update()  //每一帧更行所有需要渲染的信息
{for(auto i : particlesx){    setparticlepositonx(i);//循环更新粒子位置	}for(auto i : particlesy){    setparticlepositony(i);//循环更新粒子位置	}for(auto i : particles){    draw(i);//循环更新粒子绘制}
}

使用GPU粒子做的优化

CPU粒子设计上和我上一节提到的东西大同小异，不过原来的draw是CPU去绘制，现代会把这个内容送到GPU，会调用一次drawcall，但是粒子的消耗消耗会非常大，粒子渲染的数量非常有限

这时候能不能把把粒子更新的逻辑放在gpu里面呢，当然可以了

同样是DirectX 10.0引用了Stream Output的新特性，在OpenGL3.0中也加入了这种特性，不过在OpenGL称为Transform Feedback，在顶点着色器或者几何着色器之后，可以把顶点数据缓存到这个结构中，而这个结构在gpu中，这样每回就可以根据这个信息去更新顶点信息，重新传入顶点着色器中去做渲染

整体流程如下：