粒子系统实现与原理

粒子系统简介：

粒子系统是指计算机图形学中模拟特定现象的技术，它在模仿自然现象、物理现象及空间扭曲上具备得天独厚的优势，能为我们实现一些真实自然而又带有随机性的效果（如爆炸、烟花、水流）提供了方便。Cocos2d-x引擎中就为我们提供了强大的粒子系统（确实Billboard Particle 是参考的cocos的源代码）。
cocos粒子系统源代码

粒子系统的分类：

现代的 Particle 有三种
• Billboard Particle
• Mesh Particle
• Ribbon Particle
在这里插入图片描述

作者本人先实现的是第一种 Billboard Particle粒子，后面还会实现 Mesh Particle。其实这两种斌没有本质上的区别，都是mesh+实例化+内存粒子+粒子的运动变换（可以各种物理量模拟仿真，甚至实现对象群）的管理等等，但是Billboard Particle粒子这种是最原始最简单的粒子，可以直接一张纹理或者播放序列帧，额Mesh Particle更通用，首先理论上可以是任意模型，而Billboard Particle粒子只是公告板或者通俗的说是四边形。再者发射的Mesh的材质可以任意，比Billboard Particle粒子效果更美更灵活~
相较而言，UE的粒子更多，还有另外三种：
在这里插入图片描述

粒子的属性：

粒子的属性包括很多，也包括各种受力，物理量的粒子。比如最常见的基本，粒子属性： 坐标，初速度大小、速度的方向，大小，颜色，生命周期、质量、粒子的纹理（可以作成序列帧）等等。同时包括随机量！这个很关键随机范围为 [start - variance/2, start + variance/2]-[end - variance/2, end + variance/2]；

粒子发射器：

获取到所有的粒子，掌管整个粒子系统中该发射器发射的粒子，包括生命周期、消亡等等！除此之前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（特别是透明混合等等的问题）

发射器属性：
发射器也有很多的属性，包括发射器的位置，比如我在项目中经常用的区域发射器，就有区域坐标属性，在该区域内随机new 粒子cell，甚至还可以做一个镂空，所以需要镂空坐标。对于线性发射器属性包括start的坐标，还有end的坐标。

粒子的运动物理量-力场：

除此之外粒子还要受力场的影响
除此之外粒子还要受力场的影响，常见的三种力场：
在这里插入图片描述

本人身为物理课代表大学后特别工作以来物理有一些还给物理老师，所以复习啦一下下面理出各种力，匀变速运动，圆周运动等等的公式
1、最常见的重力是一种全局设置，适用于场景中的所有物理系统。G = g*m;其中m为质量，g为重力加速度，G为重力。
2、空气阻力特别要指出，空气阻力跟速度的平方程正比，而且！空气阻力方向与运动方向或者说速度方向相反！
在这里插入图片描述

3、引力N/R^2 引力的大小N与所粒子当前与引力中心点的距离R，根据欧拉公式获取sqrt((x1-x2)^2+((y1-y2)2+(z1-z2)^2)

匀变速运动公式：
速度：v1 = v0+at 其中v0初速度，a为加速度，t通常为当前一帧的时间。
位置公式 S=v0t + (1/2 *a *t)
平均速度：V =( v1 +v2)/2
牛二定律：F=am 其中a为加速度，m为粒子的质量

圆周运动公式

1、v（线速度）=S/t=2πr/T=ωr=2πrf (S代表弧长，t代表时间，r代表半径) 。
2、ω（角速度）=θ/t=2π/T=2πn （θ表示角度或者弧度）。　　3、T（周期）=2πr/v=2π/ω 。
4、n（转速）=1/T=v/2πr=ω/2π 。
5、Fn（向心力）=mrω^2=mv2/r=mr4π^2/T2=mr4π^2f2 。
6、an（向心加速度）=rω^2=v2/r=r4π^2/T2=r4π²ⁿ2 。　　
7、vmax（过最高点时的最小速度）=√gr （无杆支撑）。。

粒子系统的通用核心实现：

这里主要是抛砖引玉，粒子更关注的是位置、与生命周期管理以及内存性能等等问题！至于渲染都是通用的就比如粒子也可以使用PBR，或者各种特效比如溶解，自发光、Glitter等等都是通用的这里就不特地在重复。

生命周期管理：

GLuint nr_particles = 500;             //预设置粒子的总数*每个粒子消耗内存数量 = 总数
std::vector<Particle> particles;       //粒子数组 方便管理粒子
for (GLuint i = 0; i < nr_particles; ++i) 
    particles.push_back(Particle());



GLuint nr_new_particles = 2; 
// Add new particles
for (GLuint i = 0; i < nr_new_particles; ++i) 
    {
    
    
         int unusedParticle = FirstUnusedParticle();
         RespawnParticle(particles[unusedParticle], object, offset); 
    } 
// Update all particles for 
(GLuint i = 0; i < nr_particles; ++i) 
    {
    
     
        Particle &p = particles[i]; p.Life -= dt; 
        // reduce life 
        if (p.Life > 0.0f) {
    
     
            // particle is alive, thus update 
            p.Position -= p.Velocity * dt;
            p.Color.a -= dt * 2.5; 
    }
 }

//但是为了提高利用率，找到第一个消亡的粒子然后用一个新产生的粒子来更新它
GLuint lastUsedParticle = 0;
    GLuint FirstUnusedParticle()
        {
    
    
            // Search from last used particle, this will usually return almost instantly  for
            (GLuint i = lastUsedParticle; i < nr_particles; ++i)
                {
    
    
                    if (particles[i].Life <= 0.0f)
                        {
    
    
                            lastUsedParticle = i;
                             return i;
                    }
    }
            // Otherwise, do a linear search for
     (GLuint i = 0; i < lastUsedParticle; ++i)
            {
    
    
                if (particles[i].Life <= 0.0f)
                    {
    
     lastUsedParticle = i; return i;
                }
            }
     // Override first particle if all others are alive
     lastUsedParticle = 0;
     return 0;
    }

粒子的渲染顶点着色器：

帧粒子或者 Billboard Particle 的vs:

#version 330 core 
layout (location = 0) 
in vec4 vertex;     // <vec2 position, vec2 texCoords> 
out vec2 TexCoords; 
out vec4 ParticleColor; 
uniform mat4 projection; 
uniform vec2 offset; 
uniform vec4 color;
     void main() {
    
     
                    float scale = 10.0f; 
                    TexCoords = vertex.zw;
                    ParticleColor = color; 
                    gl_Position = projection * vec4((vertex.xy * scale) + offset, 0.0, 1.0); 
                    }

粒子的渲染片元着色器：

最简单的帧粒子或者 Billboard Particle 的实现ps:

#version 330 core 
in vec2 TexCoords; 
in vec4 ParticleColor; 
out vec4 color; 
uniform sampler2D sprite; 
    void main() {
    
    
                     color = (texture(sprite, TexCoords) * ParticleColor);
     }

粒子材质的设置：

particleRender:getStateBlock():setDepthTest( true );    --始终开着
particleRender:getStateBlock():setDepthWrite( );        --可以选择true 或者 false来设置是否深度写入。需要粒子的遮挡关系：粒子最后渲染队列中渲染，开启混合，深度测试始终打开，深度写入关闭，片元 将无法通过深度测试。
particleRender:getStateBlock():setBlend( true );        --公告板的粒子要开启混合，粒子的渲染顺序要当做半透明的方式排序

特殊粒子的几种实现：

1、point sprites实现拖尾的粒子

在filament中的案例有point_sprites 效果如图：

在这里插入图片描述

//拖尾的核心

   	static Vertex kVertices[NUM_POINTS];
    static float kPointSizes[NUM_POINTS];
    static uint16_t kIndices[NUM_POINTS];
    constexpr float dtheta = M_PI * 2 / NUM_POINTS;
    constexpr float dsize = MAX_POINT_SIZE / NUM_POINTS;
    constexpr float dcolor = 256.0f / NUM_POINTS;
    for (int i = 0; i < NUM_POINTS; i++) {
    
    
        const float theta = dtheta * i;
        const uint32_t c = dcolor * i;
        kVertices[i].position.x = cos(theta);
        kVertices[i].position.y = sin(theta);
        kVertices[i].color = 0xff000000u | c | (c << 8u) | (c << 16u);
        kPointSizes[i] = MIN_POINT_SIZE + dsize * i;
        kIndices[i] = i;
    }

2、追随粒子

在这里插入图片描述

本人最近实现了一种追随的粒子，跟随着某一点运动而运动，运动的轨迹是曲线的。
实现核心原理：每次update，识别点的pos 减去粒子当前的位置pos1得到的向量修改粒子的速度的方向（发射器或者粒子初始位置任意），速度大小恒定不变。

3、基于GPU的粒子

上述的两种都是基于CPU的粒子，因为它们都是在GPU中进行运算的，其实对于大量的顶点或者变换还是GPU最擅长，而且能充分发挥GPU的性能！感兴趣的可以详细看一下

在这里插入图片描述
github地址：keijiro/Skinner: Special Effects with Skinned Mesh in Unity (github.com)

Skinner is a collection of special effects that use vertices of an
animating skinned mesh as emitting points. It uses a special
replacement shader to convert vertex positions into GPU-friendly data,
and thus it avoids spending extra memory and CPU time for handling
them (uses GPU resources instead).

Skinner 是一种特效，它使用动画技术中的蒙皮网格的顶点作为发射点。它使用特殊的替换着色器将顶点位置转换为GPU能识别并且使用的数据，从而避免花费额外的内存和CPU时间来处理它们（而是使用GPU资源）。

粒子系统的性能优化：

CPU的粒子：

GPU的粒子：

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

参考资料：

Skinned Mesh原理解析和一个最简单的实现示例_n5的博客-CSDN博客
 结合源码看《我所理解的cocos2dx-3.0》—— 粒子系统_fztfztfzt的博客-CSDN博客
 GAMES104_Lecture12_Effects.pdf (boomingtech.com)