[转帖]基于GPU的粒子系统实现概要

在学习粒子系统后，继续学习到shader编程时，我忽然想到：能不能把很多粒子运算从CPU上转移到GPU上去？ 一般情况下计算粒子位置好解决，可是生命周期处理不好办，因为shader不能写顶点buffer，这个一时把我难住了，后来在网上看到篇GPU处理粒子系统的文章，受到点启发，再经过一翻思考，自己的实现方案产生了，遂整理出文章一篇，以抛砖引玉。           经常在网上看到一些翻译别人国外作者的文章，排版又乱，自己又不给点见解和创新，我强烈建议大家发挥自己的想象力，先想，再做，再学，不要盲目崇洋名外。我写这篇文章不主要为写知识技巧，而是想唤醒你那无限的想象力，然后大家一起探讨创新！                 目标及好处：减少粒子系统更新中GPU和CPU之间的频繁通信，系统内存和显存间的频繁数据传送。充分利用显卡的图形处理能力，降低CPU的负担。                首先描叙下一般情况下粒子系统运行的步骤，为了使读者更清晰的看到主题我略了颜色纹理等的处理（颜色衰减处理类似与位置处理）：         初始化粒子         循环 -----------------------------一般是在CPU中进行----------------------------------------------------                 如果粒子没有死亡                          更新离子的位置                          修改粒子的生命值                 处理死亡的粒子                          如果粒子生命小于某个阀值（比如0.0）                          设置粒子状态为死亡，或者干脆从粒子队列里删除                 增加新的粒子                           增加新的粒子到粒子队列中，或者查找生命为死亡的粒子，用计算出的                           新粒子属性覆盖之（这里有新的生命值） -------------------------------下面在显卡中进行--------------------------------------------------------------------                 渲染                          把没有死亡的粒子的位置信息送入显卡中，进行渲染 （采用AGP内存的话，最终还是要把一个个的粒子信息送入显卡处理）                             这样每个粒子的具体信息都要CPU处理然后送入显卡中渲染，不言而喻效率极底，我们要想办法把在CPU里处理的动作转移到GPU中去。下面逐一列出解决方法：                  1。生命周期模拟：          在初始化粒子系统时，计算出粒子生命值life（如果生命值都一样的话，就不用了），记下粒子的开始时间startTime。比如有100个粒子，一个在时间0开始发射，生命周期为10秒，下一个在时间0.1秒开始发射，生命周期为9秒，。。。一直到100个，计算好后把它们送入显卡。          现在到了一个难点的问题了，就是粒子生命结束了改怎么处理？那就是让新的粒子信息覆盖这个死亡粒子的存储空间。可以通过CPU实现也可以通过GPU模拟，CPU实现下次讨论。这里说说GPU中模拟，就是用粒子系统全局时间 — 粒子初始时间然后再模除以生命周期：float aliveTime = fmod(GlobeTime, lifevalue); 这样在粒子到达生命终点时它又从新复活，开始自己下一个生命周期的旅程（也许你注意到了，它的生命周期没有改变:)            2。每个粒子的位置更新：         positionNew =EmitteredPistion + Velocity*aliveTime + 1/2*acceleration*aliveTime*aliveTime         //新位置 = 初始位置+ 速度*已存活时间+ 1/2*加速度*已存活时间*已存活时间         速度在初始化粒子系统时，计算粒子位置然后把它们送入显卡顶点缓冲区（vertex buffer)，初始位置就是发射点的位置它和时间、加速度以全局变量的方式，在运行期送传给shader全局变量。          ---------------------------------------实现片段------------------------------------------------------------           粒子的生命值，开始发射时间，速度可以存放在没有使用到的纹理坐标和颜色VertexBuffer上： ------------------------------------------在C++程序中-------------------------------------------------------- //顶点格式声明 const static D3DVERTEXELEMENT9 g_VertexElements[] = {        { 0, 0, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT,  D3DDECLUSAGE_POSITION, 0},             //这里存放生命值lifevalue，开始发射时间startTime        { 1, 0, D3DDECLTYPE_FLOAT2, D3DDECLMETHOD_DEFAULT,  D3DDECLUSAGE_TEXCOORD, 0},            //这里存放速度 //如还有信息继续添加.... ....        D3DDECL_END() };       //设置effect全局变量 pEffect->SetVector("GlobeTime", &GlobeTime );                //整个粒子系统的生存时间 pEffect->SetVector("acceleration", &acceleration );            //加速度 pEffect->SetVector("EmitteredPistion", &EmitteredPistion );//发射器的位置 ---------------------------------D3DFX代码片（效果文件，.fx后缀的）-------------------------------- float4 GlobeTime;                                                         // 自创建粒子系统后逝去的时间 float4 EmitteredPistion;                                                 //粒子被发射的位置 float4 acceleration;                                                       //加速度 struct VS_INPUT {     float3 Position；     POSITION;            //lifevalue,startTime；        float3 Tex0                                 : TEXCOORD0; // Velocity     ... ....   //其它信息       }; struct VS_OUTPUT {     float4 Position                      : POSITION;     ... ...  //其它信息 }; VS_OUTPUT VS(const VS_INPUT Input) {     VS_OUTPUT    Out = (VS_OUTPUT) 0;     //float aliveTime = fmod(GlobeTime — startTime, lifevalue);     float aliveTime = fmod(GlobeTime.x — Position.y, Position.x);     //positionNew = positionInit + Velocity*aliveTime + 1/2*acceleration*aliveTime*aliveTime，计算位移     //Velocity*aliveTime ，初速度*时间增加的位移部分     float4 positionNew = EmitteredPistion + mul( float4(Input.Tex0,0), aliveTime);       //+ 1/2*acceleration*aliveTime*aliveTime部分，+加速度增加的位移部分     positionNew =  positionNew +mul( acceleration ，(0.5*aliveTime*aliveTime) );       positionNew.w = 0;     Out.Position = positionNew;    //其他处理信息... ...     return Out; } technique tec0 {     pass p0     {         VertexShader = compile vs_1_1 VS();         PixelShader = NULL;     } }        这个技术可以在vs1.1及以上版本，VS3.0及以上版本会有更好的解决方案，但基本原理类似，因为这里实现的是无状态粒子系统，无状态粒子系统有它的使用范围。在这个方法的基础上可以实现 GPU、CPU联合更新粒子系统。