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VFX与模拟7 MIN READ

GPU粒子系统

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粒子系统用大量生命周期短、行为相似的元素近似烟、火、碎片、轨迹和环境动态。系统真正困难的部分是生命周期管理、数据布局、并行更新、排序与跨系统交互。

粒子生命周期

粒子、发射器与系统

粒子保存单个元素的状态，例如：

  • 位置、速度、年龄、寿命；
  • 颜色、尺寸、旋转；
  • 随机种子、自定义数据；
  • 网格、材质和帧索引。

发射器定义发射 Rate、Burst、初始分布和更新规则。系统组合多个发射器，并管理共享参数、事件、LOD 和整体包围范围。

一个爆炸可能由火球、烟、火星、冲击波、碎片、光源和声音组成。它们应共享时间与玩法语义，但不一定使用同一种模拟或材质。

生命周期

最基本的流程是发射 → 初始化 → 更新 → 渲染 → 回收。每帧应确保年龄超过寿命的粒子被回收。只生成不回收会让存活数量持续增长。

发射 Rate 按每秒计数时，应累积不足一个粒子的余数：

n=⌊rΔt+a⌋,a′=rΔt+a−nn=\lfloor r\Delta t+a\rfloor,\qquad a'=r\Delta t+a-n

rr 是每秒发射率，aa 是上一帧余数。这样帧率变化时平均数量仍稳定。Burst 则在事件时一次生成指定数量。

压紧后的数组下标会随并行调度变化，因而不能把它当作稳定身份。随机不应直接依赖线程执行顺序。使用粒子稳定ID、发射器 Seed 和发射序号派生随机数，才能重放和调试。

基础积分

简单粒子常用 Semi-implicit Euler：

vt+Δt=vt+atΔt\mathbf{v}_{t+\Delta t}=\mathbf{v}_t+\mathbf{a}_t\Delta t xt+Δt=xt+vt+ΔtΔt\mathbf{x}_{t+\Delta t}=\mathbf{x}_t+\mathbf{v}_{t+\Delta t}\Delta t

它足以表现重力、风、Drag 和简单吸引力。视觉特效优先稳定、可控，不要求严格守恒。

大 Delta Time 会导致高速粒子穿过碰撞体。可以限制最大步长、增加 Substep，或对高速轨迹使用 Sweep。

CPU 粒子

CPU 适合：

  • 需要精确玩法事件和物理查询；
  • 数量较少但行为分支复杂；
  • 需要网络同步或 CPU 读取结果；
  • 平台不支持所需 Compute 能力。

数据应使用按字段分离的数组或紧凑分块，避免每粒子独立对象和分配。更新任务可按发射器/分块并行，但发射、回收与事件队列需要清楚的所有权。

CPU 模拟后仍要把实例数据上传 GPU。数量很大时，模拟和上传都会成为瓶颈。

设备端状态流转

GPU 粒子池

GPU 粒子通常预分配固定容量的结构化缓冲，不在每帧动态创建对象。常见资源：

  • 粒子状态 Pool；
  • 存活列表；
  • 空闲列表；
  • 发射 Request；
  • 排序键/索引；
  • 间接绘制 Arguments；
  • 事件缓冲。

空闲列表保存可复用槽位。发射从空闲列表取索引并初始化；更新遍历存活列表，仍存活的写入下一帧存活列表，死亡的归还空闲列表。

这相当于 GPU 上的对象池和流压缩。Append/Consume 缓冲或原子计数器可以管理数量，但原子竞争和无序写仍需控制。

一帧 GPU 模拟

典型调度：

  1. 清零本帧计数器；
  2. 发射 Pass 消费请求和空闲槽位；
  3. 更新 Pass 推进位置、生命周期与属性；
  4. 碰撞/事件 Pass 产生事件；
  5. Compact 存活列表；
  6. 可选剔除、LOD 与排序；
  7. 写 Indirect Argument；
  8. 间接绘制。

Pass 间缓冲从 UAV Write 变为 SRV/Indirect Read 时需要正确屏障。漏同步可能表现为随机丢粒子或读取上一帧数据。

GPU 粒子更新

下列片段采用紧凑双缓冲状态数组：输入保存上一帧记录，输出和存活计数器属于当前帧，稳定ID随Particle字段一起复制。每个线程处理一条记录，通过原子计数压紧存活结果。前述固定槽池则保持Pool[slot]地址不变，压紧的是AliveIndices中的槽号，死亡槽号再归还空闲列表；接入时按选定布局维护身份与回收，不能把压紧后的数组行号当作固定槽号。

hlsl
[numthreads(64, 1, 1)]
void Simulate(uint id : SV_DispatchThreadID)
{
    if (id >= inputCount) return;
    Particle p = InputParticles[id];
    p.velocity += gravityWS * deltaTime;
    p.position += p.velocity * deltaTime;
    p.age += deltaTime;
    if (p.age < p.lifetime) {
        uint dst;
        InterlockedAdd(AliveCount[0], 1, dst);
        OutputParticles[dst] = p;
    }
}

派发前要把 AliveCount 清零，并确保上一轮写入已完成；模拟后再用计数生成间接绘制参数。原子追加在粒子很多时可能争用，分组前缀和能进一步优化。验证时读取少量计数器或在 GPU 调试器中检查：片段要求 inputCount 不超过输出容量，且每个输入最多输出一次；生产流程还要把发射的需求一起纳入容量预算。AliveCount 不得超过输出容量，死亡粒子不能残留到 Draw。

Bounds 与可见性

CPU 不知道 GPU 粒子的最终位置时，很难得到紧致包围范围。固定巨大包围范围会让离屏系统无法剔除；过小则粒子突然消失。

方案包括：

  • 作者设置保守 Fixed 包围范围；
  • GPU Reduction 计算包围范围，异步回读给下一帧 CPU；
  • 按空间 Tile 管理粒子；
  • 系统不可见时降低频率或停止发射，但谨慎处理重新出现时的时间状态。

GPU 回读会引入延迟，不能为了实时包围范围强制同步。

以容量4为例，旧存活槽位为[0,2]、空闲为[1,3]。槽位0死亡后只能归还一次，得到存活[2]、空闲[1,3,0]；发射两个粒子后得到存活[2,0,3]、空闲[1]。压紧数组的行号0现在保存槽位2的数据，所以随机身份必须来自稳定ID。若两次归还槽位0，后续两个发射线程可能同时领取同一槽位；只检查数量而不查唯一性会漏掉这个错误。

池管理还要满足数量守恒：本帧存活数加空闲槽位数等于总容量，每个槽位恰属于其中一个集合。死亡槽位只归还一次，新发射请求最多消费可用数量。调试时可以给每个槽位累计归属标记，检查重复和遗漏；只看总数相等可能掩盖一个槽位重复、另一个丢失。固定随机种子保证随机输入一致，浮点运算和原子追加顺序仍可能使跨设备的位级结果不同。

粒子绘制

面片、网格与轨带

Billboard 用面片朝向摄像机。它顶点少，但透明区域可能很大。

网格粒子适合碎片、石块和简单 Crowd。可通过 Instancing 绘制，并从粒子缓冲读取变换、颜色和动画帧。

Ribbon/Trail 按历史点生成带状网格。Catmull-Rom 等曲线可平滑轨迹，但过密采样会增加顶点，过稀会在急转弯处折断。还要处理宽度方向、UV 距离和相机朝向。

轨迹材质与连续采样

Trail UV 常用 U 表示沿轨迹累计距离，V 表示横向。按累计距离而不是点序号铺 UV，可以避免采样密度变化时纹理伸缩。

转弯处宽度方向可能翻转。生成网格时应保持连续标架，或使用面向相机的轨带并处理相机方向接近平行时的退化。

透明 Ribbon 的自交无法通过简单排序完全解决。可改用 Additive、缩短寿命、控制轨迹形状，或在关键效果使用 OIT/专门网格。

排序

标准 Alpha Blend 依赖从后向前顺序。Per-emitter 排序便宜，但两个发射器互相穿插时错误；Global Sorting 更正确，却要统一收集粒子并减少状态切换。

GPU 可生成视图深度排序键，再用基数排序、双调排序或并行合并。排序成本随粒子数量增长，且会额外读写缓冲。

并非所有粒子都要严格排序：

  • 在统一混合方程、无额外深度副作用时，纯加法或纯乘法混合可交换顺序；
  • 烟雾可接受近似分桶；
  • 小而快速的火星可以关闭排序；
  • 关键透明层再使用精确排序。

碰撞

CPU Physics 对数十万粒子过贵。GPU 粒子常用：

  • 场景深度：便宜，但只能碰当前视图可见表面，屏幕后信息缺失；
  • SDF/Distance Field：支持体积查询，但需要内存和更新；
  • Heightfield：适合地面；
  • 简化图元/Analytic Collider；
  • Hardware 射线查询：质量高但成本与平台支持需评估。

深度碰撞要把粒子投影到屏幕 UV，比较粒子视图深度与场景深度，并用重建法线反射或衰减速度。相机外和被前景遮挡的碰撞都不可靠。

Niagara 与 VFX Graph 的架构

现代系统把逻辑拆为系统、发射器、粒子阶段和可复用 Module。参数与数据接口负责从玩法、场景纹理、骨架、SDF 或外部缓冲输入数据。

节点图最终仍要编译成 CPU Vector VM、GPU 着色器或对应执行代码。图可视化不会消除分支、缓冲、同步和着色器 Variant 成本。

可复用模块应定义清楚输入、输出、单位、空间和默认值。隐式读取全局参数的模块很难移植和调试。

事件与读回

GPU 事件可以在设备内驱动二级发射器，例如死亡火花生成小烟。若要通知玩法，通常需要异步 Readback，结果会延迟若干帧。

关键命中、伤害和可交互碎片应由玩法/CPU 决定，粒子只表现结果。不要让必须即时可靠的逻辑依赖 GPU 回读。

场数据与运动输入

VFX 常用低成本场而不是完整物理：

  • 场景深度做屏幕空间碰撞和交界；
  • SDF 做体积碰撞、吸引和避障；
  • Curl 噪声生成近似无散度的旋涡速度场；
  • Vector Field 驱动群体流向；
  • Heightfield 模拟水面或地面传播；
  • Flipbook 播放 Houdini 离线流体结果。

实时网格流体、Grid/FLIP 和体积烟雾需要更完整的模拟和渲染管线。游戏效果常把低分辨率模拟、上采样、历史重建与艺术控制结合，而不是追求完全物理准确。

验证方法

  • 显示发射、Alive、Dead、Culled、Sorted 数量和容量峰值。
  • 检查固定 Seed 下结果是否可复现。
  • 用 RenderDoc 检查 Compute 派发、计数器、屏障和 Indirect Args。
  • 分开记录模拟、排序、碰撞、Draw 和像素成本。
  • 测试暂停、时间缩放、大帧间隔、发射器销毁和场景切换。
  • 检查容量耗尽时是拒绝发射、替换旧粒子还是降级，不能静默写越界。

相关主题

参考资料