灵活粒子系统 - 开始

粒子系统太棒了！你不仅可以创造出令人惊叹的效果，还能优化代码，将越来越多的像素推送到屏幕上。本系列文章将介绍如何设计一个灵活的粒子系统，并应用一系列优化措施来提高其运行速度。灵活意味着它可以在实际应用中用于各种图形效果。

引言

一段时间以来，我一直在玩我自己的小粒子系统。之前的一篇文章展示了我用该系统制作的一些效果。从那时起，我没有再制作其他效果，但我花了很多时间进行优化和改进。

我们开始吧！

系列文章

• 初始粒子演示
• 引言
• 粒子容器 1 - 问题
• 粒子容器 2 - 实现
• 生成器和发射器
• 更新器
• 渲染器 (Renderer)
• 软件优化简介
• 工具优化
• 代码优化
• 渲染器优化
• 摘要

全局视角

• 粒子数组 - 我们需要一个容器来存放粒子。粒子是动态的，所以我们也需要一种有效的方法来使粒子“生”或“死”。看起来即使是std::vector也不足以满足此目的。另一个问题是，一个粒子应该包含哪些数据？我们应该使用结构体数组（AoS）还是数组结构体（SoA）？
• 生成器/发射器 - 它们创建（激活）粒子，设置它们的初始参数。
• 更新器 - 当粒子处于活动状态时，必须有一个系统来更新它并管理它的运动。
• 渲染器 - 最后，我们需要一种方法将所有数据推送到屏幕上并渲染整个系统。渲染粒子系统本身就是一个有趣的话题，因为有许多可能的解决方案和技术。

无状态与保持状态的粒子系统

在实现粒子系统时，重要的是要注意我们可以通过两种方式更新粒子

无状态方式

这意味着我们从初始值计算当前位置/数据/状态，而不存储此计算状态。看看这个用于简单粒子系统的简单运动方程

pos = pos_start + vel_start*time + 0.5*acc*time*time;

许多图形教程都有这样的粒子系统。这在顶点着色器示例中尤为明显。您可以将粒子的起始数据传递给顶点着色器，然后只更新时间值。看起来不错，但使用这种技术很难创建高级效果。

优点

• 易于使用，无需额外数据，只需初始值
• 非常快：只需创建初始数据，仅在粒子被销毁或创建时才需要更新粒子缓冲区

缺点

• 仅适用于简单的运动方程

保持状态

顾名思义，我们将存储粒子的当前状态。我们将使用之前的状态来计算当前状态。其中一种最流行的方法称为欧拉方法

vel = vel + delta_time * acc;
pos = pos + delta_time * vel;

优点

• 可用于创建高级效果

缺点

• 需要存储内部/当前状态
• 比无状态系统需要更多的计算和更新

假设/要求

我希望通过该系统实现的目标

• 可用性 - 整个系统不仅仅是一个带有简单更新循环的小实验，它可以用于创建几种不同的效果。
• 易于扩展 - 不同的模块或创建自定义部分的选项。
• 性能 - 应该足够快。这是一个相当模糊的规格，但整个优化部分将是测试新想法的绝佳游乐场。
  • 我的目标是在我的系统上至少流畅地运行10万个粒子（60fps）。如果能达到100万个就更好了，但这在CPU版本上并不容易。
• 仅限CPU - 我知道目前GPU实现更好，但为了实验，我选择了仅CPU。也许在第二版中，我会将其重写为OpenCL或OpenGL计算着色器。
  • CPU版本也为实验CPU到GPU的缓冲区传输提供了机会。
• 目前是一个简单的OpenGL 3.3+渲染器

下一步

在下一篇文章中，我将介绍粒子数据及其在系统中使用的容器。

笔记和链接

• The Software Optimization Cookbook: High Performance Recipes for IA-32 Platforms, 2^nd Edition, Intel Press; 2^nd edition (2005年12月) - 很难找到的书，但我曾在2011年GDC Europe上赢得过！:)
• Video Game Optimization by Eric Preisz and Ben Garney
• Intel Creating a Particle System with Streaming SIMD Extensions - 相当老，但非常容易理解的教程。
• Building a Million-Particle System - for
• Particle Systems From the Ground Up by Matt Greer - 关于JavaScript和WebGL粒子非常棒的文章。
• Gamasutra Building an Advanced Particle System