開篇

網上有很多篇粒子系統(tǒng)源碼解析，但是只是簡單的接口羅列，沒有從最原理出發(fā)去講清楚粒子系統(tǒng)的來龍去脈，我將從粒子系統(tǒng)的本質去講清楚它的設計理念，當理解了它的理念以后，很多粒子遇到的問題就會迎刃解決了，這篇文章主講粒子的實現和一些框架級的優(yōu)化方式，其實有很多優(yōu)化細節(jié)就不贅述

粒子系統(tǒng)的設計思想

在早期游戲發(fā)展的時候，有一些粒子效果是實現一些鼠標特效的，比如《刀劍封魔錄》中滑動鼠標后，鼠標本身就會作為一個粒子發(fā)射器，在鼠標拖動后，會產生很多粒子并隨著時間消亡，這就是最早的粒子系統(tǒng)模型

?在早期的桌面系統(tǒng)中實現的粒子全是用cpu在屏幕上渲染的，如果需要世界中的3D粒子，則會將世界坐標轉換為屏幕坐標，在屏幕指定位置渲染個粒子，而且這個粒子是每一幀去更新的

我給一個imgui類型渲染系統(tǒng)的粒子偽代碼方便大家去理解，每一幀都去更新所有粒子的信息，當然現代游戲引擎粒子實現也類似于此

//定義粒子結構
struct particle

{
	float x;
	float y;
	image  img;
}

//定義粒子集合
vector<particle> particles

//設置粒子位置
void setparticlepositon(particle &p)
{
	p.x++;
	p.y++;
}

tick::update()  //每一幀更行所有需要渲染的信息
{
	for(auto i : particles)
	{    
		setparticlepositon(i);//循環(huán)更新粒子位置
		draw(i);//循環(huán)更新粒子繪制
	}
}

更復雜的話就是定義每個粒子的周期，并定義粒子發(fā)射器，另外可以在setparticlepositon中設置更復雜的更新條件

class ParticleEmitter{
protected:
    void Tick() {
        Spawn();                //生成階段:創(chuàng)建新粒子
        UpdateAndRecycle();     //更新階段:更新每個粒子的狀態(tài)數據并回收已死亡的粒子
        Render();               //渲染階段:使用粒子渲染器將粒子效果渲染出來
    }
private:
    vector<Particle> Particles;

};

萬變不離其宗，都是源于這個思想

既然有大量相同的粒子，那么結合現代游戲引擎的特性，可以用到實例化（Instancing），將相同的mesh和材質用一套，大大減少了數據量，另外也可以用GPU粒子優(yōu)化

使用幾何著色器優(yōu)化

Nvidia在2006年的GeForce 8系列中出了DirectX 10.0，并推出了幾何著色器

簡單說，就是幾何著色器可以把單個頂點擴充成多個頂點，如果粒子的mesh都一樣的話，只需要從頂點著色器中傳入的單個頂點和擴展規(guī)則，就可以生成想渲染的粒子mesh，而并不需要每回傳入大量的頂點了

使用之前：

可見每個粒子需要傳入五個位置然后生成五角星?

使用之后：

?想渲染一個五角星只要傳入一個頂點，就可以用幾何著色器擴充為五角星，大大減少了draw所占的帶寬

使用SMID優(yōu)化

關于smid的介紹我前面有篇文章可以看看，這里就不贅述它的原理了

使用SIMD指令加速計算_星空_MAX的博客-CSDN博客

這種情況試用語cpu對大量粒子計算和更新的情況

unreal引擎的nigara和chaos就是用這種緩存友好的內存布局，和unity的ECS架構原理一樣

?寫個大概的數據結構參考一下：

//定義粒子的組件集合
vector<particle> particlesx;
vector<particle> particlesy;


//設置粒子x位置
void setparticlepositonx(particlex &px)
{
	px++;
}
//設置粒子y位置
void setparticlepositonx(particley &py)
{
	py++;
}

//定義粒子和組件集合
class particle
{
	vector<particle> *particlesx = particlesx;
	vector<particle> *particlesx = particlesy;
}

//定義粒子集合
vector<particle> particles;

tick::update()  //每一幀更行所有需要渲染的信息
{
	for(auto i : particlesx)
	{    
		setparticlepositonx(i);//循環(huán)更新粒子位置	
	}
	
	for(auto i : particlesy)
	{    
		setparticlepositony(i);//循環(huán)更新粒子位置	
	}
	
	for(auto i : particles)
	{    
	 	draw(i);//循環(huán)更新粒子繪制
	}
}

使用GPU粒子優(yōu)化

CPU粒子設計上和我上一節(jié)提到的東西大同小異，不過原來的draw是CPU去繪制，現代會把這個內容送到GPU，會調用一次drawcall，但是粒子的消耗消耗會非常大，粒子渲染的數量非常有限

這時候能不能把把粒子更新的邏輯放在gpu里面呢，當然可以了

同樣是DirectX 10.0引用了Stream Output的新特性，在OpenGL3.0中也加入了這種特性，不過在OpenGL稱為Transform Feedback，在頂點著色器或者幾何著色器之后，可以把頂點數據緩存到這個結構中，而這個結構在gpu中，這樣每回就可以根據這個信息去更新頂點信息，重新傳入頂點著色器中去做渲染

整體流程如下：

?這時候就會發(fā)現GPU和cpu可以不進行數據傳輸了，粒子完成自我更新，大大減少了傳輸量和cpu的計算負擔

帶來的問題

如果用gpu粒子的話無法實時計算出剔除范圍了，因為剔除步驟在傳入頂點著色器之前，所以一開始就需要傳入效果的bounds，并預估出粒子的最大范圍，否則可能出現特效消失的問題

結尾

粒子系統(tǒng)還有其他很多部分，可做優(yōu)化的部分非常多，我這里只介紹了一些粒子系統(tǒng)設計的基礎思想，其他更全面的內容網上很多，就不贅述了文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-532498.html

到了這里，關于游戲引擎的cpu/gpu粒子系統(tǒng)設計思想的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內容，請在右上角搜索TOY模板網以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網！