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[OpenGL]使用TransformFeedback实现粒子效果

一、简介

本文介绍了如何使用 OpenGL 中的 Transform Feedback 实现粒子效果,最终可以实现下图的效果:
在这里插入图片描述
本文的粒子系统实现参考了modern-opengl-tutorial, ogldev-tutorial28 和 粒子系统–喷泉 [OpenGL-Transformfeedback]。

二、使用 TransformFeedback 实现效果

1. Transform Feedback 简介

Transform Feedback 是 OpenGL 中用于获取 vertex shader 和 geometry shader 处理后的顶点数据的一种机制,可以在 GPU 上将 vertex shader, geometry shader 处理后的数据存储到以一个 buffer 中,而不进行接下来的 clipper, Rasterizer 和 Fragment Shader 阶段。
Transform Feedback Buffer 在渲染管线中所处的位置如下图所示:
在这里插入图片描述

基于 Transform feedback,我们可以在 GPU 上对多个顶点数据行进并行运算,粒子系统 就是 Transform feedback 的一个典型应用。

2. 粒子系统实现

在实现粒子系统时,使用 update Shader 和 render Shader 两个 着色器:

  • update shader 用来更新粒子的状态,包括更新粒子状态、生成新粒子、消灭旧粒子。
  • render shader 用来将粒子显示在屏幕上。

粒子系统的实现流程如下:
流程
上图展示了使用 Update shader 和 Render shader 实现粒子系统的流程。图中左侧黄色虚线内为使用 Update shader 更新粒子,右侧蓝色虚线内为使用 Render shader 将粒子渲染到屏幕上,然后再进入下一帧的Update-Render流程。
在 Update shader 中,输入为 Update input VBO,输出为 Update output VBO。在 Render shader 中,Update output VBO 又作为渲染时的输入,Render input VBO。由于 Transform Feedback 中的在读 一个 VBO 时,不能同时写该 VBO ,及Update input VBOUpdate output VBO 不能是同一个 buffer object。因此在代码实现使用两个 VBO 交替作为 一个Update-Render流程中的Update input VBO Update output VBO
例如,渲染一个n帧的结果,其 Update input VBOUpdate output VBO 所代表的 buffer 变换如下所示:
在这里插入图片描述

3. 部分代码讲解

3.1. Particle 类

struct Particle
{
    float Type; // 0: launch, 1: shell, 2 : second shell
    glm::vec3 Pos;
    glm::vec3 Velocity;
    float Life;
};

系统中粒子的类型分为三类, launch, shell 和 second shell。

  • launch 类粒子相当于一个发射器,其位置、速度一直保持不变,在 Life 到达一定的数值时生成 shell 类粒子;
  • shell 类粒子由 launch 类粒子生成后,获得一个初始的速度,假设只受到重力,根据牛顿第二定律更新自己的 速度、位置。并且 shell 粒子的 Life 在到达一定数值时生成 second shell 类粒子;
  • second shell 类粒子初始时于生成该粒子的父粒子具有相同的位置,但是速度不同。 second shell 粒子的 Life 到达一定数值后死亡。

3.2. PaticleSystem 类

a. PaticleSystem类的变量

class ParticleSystem
{
public:
...
private:
  bool m_isFirst; // 标记 是否时第一次调用 Render()

  GLuint m_VAO[2];                // 两个 VAO 分别用于 update 和 render 的输入
  unsigned int m_update_input_id; // update input id,
  unsigned int m_render_input_id; // render input id, update output id

  GLuint m_VBO_TFB[2]; // 两个顶点缓冲区 , 交替作为 update / render buffer
  GLuint m_TFO[2];     // 两个 transform feedback 对象 TFO

  Shader m_updateShader;     // particle update shader
  Shader m_renderShader;     // particle render shader
  Texture m_randomTexture;   // 随机数纹理
  Texture m_particleTexture; // 粒子的纹理
  float m_time;              // 系统运行的总时间
  ...
}

b. InitParticleSystem() 初始化 ParticleSystem

class ParticleSystem
{
  public:
  ...
  bool InitParticleSystem(const glm::vec3 &Pos)
  {
	   // 1. 生成 初始粒子
	   Particle Particles[MAX_PARTICLES];
	   Particles[0].Type = 0;
	   Particles[0].Pos = Pos;
	   Particles[0].Velocity = glm::vec3(0.0f, 0.01f, 0.0f);
	   Particles[0].Life = 0.0f;
	
	   // 2. 初始化  VAO, TFO, VBO
	   glGenVertexArrays(2, m_VAO);       // 生成 两个 VAO
	   glGenTransformFeedbacks(2, m_TFO); // 生成 两个 TFO
	   glGenBuffers(2, m_VBO_TFB);        // 生成 两个 buffer (TFB), 分别绑定到 对应的 VAO 和 TFO 上
	
	   for (unsigned int i = 0; i < 2; i++)
	   {
	
	       // VAO[i] <- VBO[i]
	       // TFO[i] <- VBO[i]
	       glBindVertexArray(m_VAO[i]);
	       glBindTransformFeedback(GL_TRANSFORM_FEEDBACK, m_TFO[i]);
	       glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VBO_TFB[i]);
	       glBindBuffer(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, m_VBO_TFB[i]);
	       glBufferData(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, sizeof(Particles), Particles, GL_DYNAMIC_DRAW);
	       glBindBufferBase(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, m_VBO_TFB[i]);
	   }
	
	   // 3. 初始化 update shader, render shader
	   // update shader
	   const char *feedbackVaryings[] = {"Type1", "Position1", "Velocity1", "Age1"};
	   m_updateShader = Shader("../resources/particleUpdate.vert", "../resources/particleUpdate.frag",
	                           "../resources/particleUpdate.geom", feedbackVaryings);
	
	   m_updateShader.use();
	   m_updateShader.setFloat("gLauncherLifetime", 100.0f);
	   m_updateShader.setFloat("gShellLifetime", 10000.0f);
	   m_updateShader.setFloat("gSecondaryShellLifetime", 500.f);
	
	   // 初始化 render shader
	   m_renderShader = Shader("../resources/particleRender.vert", "../resources/particleRender.frag",
	                           "../resources/particleRender.geom");
	   m_renderShader.use();
	   m_renderShader.setFloat("gBillboardSize", 0.01f);
	
	   // 4. 初始化 纹理
	
	   // 随机数纹理
	   m_randomTexture.id = TextureFromRand();
	   m_randomTexture.path = "random";
	   m_randomTexture.type = "texture_diffuse";
	
	   // 粒子纹理
	   m_particleTexture.id = TextureFromFile("particle.png", "../resources/textures/");
	   m_particleTexture.path = "../resources/textures/particle.png";
	   m_particleTexture.type = "texture_diffuse";
	
	   return true;
	};
	...
}

c. Render() 调用 update shader 和 Render shader 进行更新粒子、渲染粒子

class ParticleSystem
{
public:
...
	void Render(float DeltaTimeMillis, const glm::mat4 &VP, const glm::vec3 &CameraPos)
	{
	    m_time += DeltaTimeMillis;
	
	    // 更新 粒子
	    updateParticles(DeltaTimeMillis);
	
	    // 渲染 粒子
	    renderParticles(VP, CameraPos);
	
	    // 交换 update shader 使用的 VAO 和 TFO
	    // 0 -> 1 -> 0 -> 1 -> 0 -> ...
	    m_update_input_id = (m_update_input_id + 1) % 2;
	
	    // 交换 render shader 使用的 VAO
	    // 1 -> 0 -> 1 -> 0 -> 1 -> ...
	    m_render_input_id = (m_render_input_id + 1) % 2;
	};
	...
}

d. updateParticles() 更新粒子

class ParticleSystem
{
public:
...
	
	void updateParticles(float DelatTimeMillis)
	{
	    // 1. 设置 update shader 中的 uniform 变量以及纹理变量
	    m_updateShader.use();
	    m_updateShader.setFloat("gTime", m_time);
	    m_updateShader.setFloat("gDeltaTimeMillis", 1.0f * DelatTimeMillis);
	
	    glActiveTexture(GL_TEXTURE0); // 激活纹理单元 0
	    glUniform1i(glGetUniformLocation(m_updateShader.ID, "gRandomTexture"),
	                0); // 将纹理单元0 与着色器的 sampler 变量 gRandomTexture 关联
	    glBindTexture(GL_TEXTURE_1D, m_randomTexture.id); // 将 纹理对象 绑定到当前的纹理单元 GL_SAMPLER_1D 纹理上
	
	    // 2. 绑定 VAO, TFB
	
	    // 绑定VAO, 作为 update shader 的输入
	    glBindVertexArray(m_VAO[m_update_input_id]);
	
	    // 根据 update shader 设置 VAO 中不同属性的读取方式
	    glVertexAttribPointer(0, 1, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Particle), 0);                               // type
	    glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Particle), (const GLvoid *)(sizeof(float))); // position
	    glVertexAttribPointer(2, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Particle),
	                          (const GLvoid *)(sizeof(float) + sizeof(glm::vec3))); // velocity
	    glVertexAttribPointer(3, 1, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Particle),
	                          (const GLvoid *)((sizeof(float) + sizeof(glm::vec3)) + sizeof(glm::vec3))); // lifetime
	    glEnableVertexAttribArray(0);
	    glEnableVertexAttribArray(1);
	    glEnableVertexAttribArray(2);
	    glEnableVertexAttribArray(3);
	
	    // 绑定 TFO, 作为 update shader 的输出
	    glBindTransformFeedback(GL_TRANSFORM_FEEDBACK, m_TFO[m_render_input_id]);
	
	    // 3. 开始使用 update shader 更新粒子
	    glEnable(GL_RASTERIZER_DISCARD); // 跳过光栅化以及之后的阶段
	
	    glBeginTransformFeedback(GL_POINTS);
	    if (m_isFirst)
	    { // 第一次 运行 update shader, 只有一个 粒子
	        glDrawArrays(GL_POINTS, 0, 1);
	        m_isFirst = false;
	    }
	    else
	    { // 之后运行 update shader, 粒子个数不确定, 由 opengl 根据 transform feedback object 自行确定粒子个数
	        glDrawTransformFeedback(GL_POINTS, m_TFO[m_update_input_id]);
	    }
	    glEndTransformFeedback();
	
	    glDisable(GL_RASTERIZER_DISCARD); // 开启光栅化以及之后的阶段
	    glDisableVertexAttribArray(0);
	    glDisableVertexAttribArray(1);
	    glDisableVertexAttribArray(2);
	    glDisableVertexAttribArray(3);
	};
	...
}

e. renderParticles()渲染粒子

class ParticleSystem
{
public:
...
	
	void renderParticles(const glm::mat4 &VP, const glm::vec3 &CameraPos)
	{
	    // 1. 设置渲染状态
	    glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
	    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT |
	            GL_DEPTH_BUFFER_BIT); // 使用 (0.2,0.3,0.3,1.0) 清空 color texture, 清空 depth buffer
	    glEnable(GL_BLEND);           // 启用 blend
	    glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA); // blend 模式为 D = alpha*S + (1-alpha)*D
	    glEnable(GL_PROGRAM_POINT_SIZE);
	
	    // 2. 设置 render shader 中的 uniform 变量以及纹理变量
	    m_renderShader.use();
	    m_renderShader.setVec3("gCameraPos", CameraPos);
	    m_renderShader.setMat4("gVP", VP);
	
	    glActiveTexture(GL_TEXTURE1); // 激活纹理单元 1
	    glUniform1i(glGetUniformLocation(m_renderShader.ID, "gColorMap"), 1);
	    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_particleTexture.id); // 将 纹理对象 绑定到当前的纹理单元的 GL_SAMPLER_1D 纹理上
	
	    // 3. 绑定 VAO
	
	    // 绑定VAO, 作为 render shader 的输入
	    glBindVertexArray(m_VAO[m_render_input_id]);
	
	    // 根据 render shader 设置 VAO 中不同属性的读取方式
	    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Particle), (void *)(sizeof(float))); // position
	    glEnableVertexAttribArray(0);
	
	    // 4. 开始使用 render shader 渲染粒子
	    glDisable(GL_RASTERIZER_DISCARD); // 开启 光栅化 以及之后的阶段
	    glDrawTransformFeedback(GL_POINTS, m_TFO[m_render_input_id]);
	};
	...
}

3.3. Update shader

a. Vertex shader

#version 410

layout(location = 0) in float Type;
layout(location = 1) in vec3 Position;
layout(location = 2) in vec3 Velocity;
layout(location = 3) in float Age;

out float Type0;
out vec3 Position0;
out vec3 Velocity0;
out float Age0;

void main() {
  Type0 = Type;
  Position0 = Position;
  Velocity0 = Velocity;
  Age0 = Age;
}

b. Geometer shader

#version 410

layout(points) in;
layout(points, max_vertices = 30) out;

/* 从 vertex shader 输入的 point 的属性 */
in float Type0[];
in vec3 Position0[];
in vec3 Velocity0[];
in float Age0[];

/* 输出到 fragment shader 的 point 的属性*/
out float Type1;
out vec3 Position1;
out vec3 Velocity1;
out float Age1;

/* 用于更新 particle 的变量 */
uniform float gDeltaTimeMillis;        // 时间间隔
uniform float gTime;                   // 当前时刻
uniform sampler1D gRandomTexture;      // 随机纹理
uniform float gLauncherLifetime;       // Launcher 的生存时间
uniform float gShellLifetime;          // Shell 的生存时间
uniform float gSecondaryShellLifetime; // Secondary Shell 的生存时间

#define PARTICLE_TYPE_LAUNCHER 0.0f
#define PARTICLE_TYPE_SHELL 1.0f
#define PARTICLE_TYPE_SECONDARY_SHELL 2.0f

// 使用 random texture 获取一个随机值 (random texture相当于一个随机数池)
vec3 GetRandomDir(float TexCoord) {
  vec3 Dir = texture(gRandomTexture, TexCoord).xyz;
  Dir -= vec3(0.5, 0.5, 0.5);
  return Dir;
}

void main() {
  // 更新 particle 的生存时间
  float Age = Age0[0] + gDeltaTimeMillis;
  // 增加随机性
  float g_Time = (sin(gTime) + 1.0) / 2.0 * 1000.0;
  g_Time = gTime;
  // Launcher particle
  if (Type0[0] == PARTICLE_TYPE_LAUNCHER) {

    // 如果 particle 生存时间过长
    // 那么就生成一个 Shell particle, 并且更新 Launcher particle
    if (Age >= gLauncherLifetime) {
      // 生成 一个 Shell particle
      Type1 = PARTICLE_TYPE_SHELL;
      // 初始化 position, dir, velocity, age
      Position1 = Position0[0];
      vec3 Dir = GetRandomDir(g_Time / 1000.0);
      Dir.y = max(Dir.y, 0.95);
      Velocity1 = normalize(Dir) / 12.0;
      // Velocity1 = Velocity0[0];
      Age1 = 0.0;

      // emit vertex
      EmitVertex();
      EndPrimitive();
      Age = 0.0;
    }

    // 更新 Launcher particle
    Type1 = PARTICLE_TYPE_LAUNCHER;
    Position1 = Position0[0];
    Velocity1 = Velocity0[0];
    Age1 = Age;
    EmitVertex();
    EndPrimitive();
  } else {
    // 如果是 Shell or Second Shell particle
    float DeltaTimeSecs = gDeltaTimeMillis / 1000.0;
    float t1 = Age0[0] / 1000.0;
    float t2 = Age / 1000.0;
    // position 的改变量
    vec3 DeltaP = DeltaTimeSecs * Velocity0[0];
    // velocity 的改变量
    // vec3 DeltaV = vec3(DeltaTimeSecs) * vec3(0.0, -9.81, 0.0);
    // 如果是 Shell particle
    vec3 DeltaV = vec3(0, DeltaTimeSecs / 1000.0 * -9.81, 0);

    if (Type0[0] == PARTICLE_TYPE_SHELL) {
      if (Age < gShellLifetime) {
        // 如果 Shell particle 还在生存时间内
        Type1 = PARTICLE_TYPE_SHELL;

        // 更新 position, velocity
        Position1 = Position0[0] + DeltaP;
        Velocity1 = Velocity0[0] + DeltaV;
        // Velocity1 = Velocity0[0];
        // Velocity1 = Velocity0[0] + vec3(0.0, DeltaTimeSecs * -9.8, 0.0);
        Age1 = Age;
        EmitVertex();
        EndPrimitive();
      } else {
        // 如果 Shell particle 超过生存时间了,那么就 分裂为 10 个 Second Shell
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
          Type1 = PARTICLE_TYPE_SECONDARY_SHELL;
          Position1 = Position0[0];
          vec3 Dir = GetRandomDir((g_Time + i) / 1000.0);
          Velocity1 = normalize(Dir) / 20.0;
          Age1 = 0.0f;
          EmitVertex();
          EndPrimitive();
        }
      }
    } else {
      // 如果是 Second Shell particle
      if (Age < gSecondaryShellLifetime) {
        // 如果 Second Shell 还在生存周期内
        Type1 = PARTICLE_TYPE_SECONDARY_SHELL;
        Position1 = Position0[0] + DeltaP;
        Velocity1 = Velocity0[0] + DeltaV;
        Age1 = Age;
        EmitVertex();
        EndPrimitive();
      }
      // 如果 Second Shell 超过生存周期, 那么就消灭该 Second Shell particle
      // (什么也不做)
    }
  }
}

c. Fragment shader

#version 410 core
void main() {
  // do nothing
}

3.4. Render shader

a. Vertex shader

#version 410
layout(location = 0) in vec3 Position;
void main() { gl_Position = vec4(Position, 1.0); }

b. Geometer shader

#version 410

layout(points) in;
layout(triangle_strip, max_vertices = 4) out;
uniform mat4 gVP;
uniform vec3 gCameraPos;
uniform float gBillboardSize;

out vec2 TexCoord;

void main() {
  // 以 p0 = gl_Position 为右下角,绘制一个矩形 (两个三角形)
  // p2 --- p4
  // |  \   |
  // |    \ |
  // p1 --- p3 (p0)

  vec3 Pos = gl_in[0].gl_Position.xyz;
  vec3 toCamera = normalize(gCameraPos - Pos);
  vec3 up = vec3(0.0, 1.0, 0.0);
  vec3 right = cross(toCamera, up) * gBillboardSize;

  // p1
  Pos -= right;
  gl_Position = gVP * vec4(Pos, 1.0);
  TexCoord = vec2(0.0, 0.0);
  EmitVertex();

  // p2
  Pos.y += gBillboardSize;
  gl_Position = gVP * vec4(Pos, 1.0);
  TexCoord = vec2(0.0, 1.0);
  EmitVertex();

  // p3
  Pos.y -= gBillboardSize;
  Pos += right;
  gl_Position = gVP * vec4(Pos, 1.0);
  TexCoord = vec2(1.0, 0.0);
  EmitVertex();

  // p4
  Pos.y += gBillboardSize;
  gl_Position = gVP * vec4(Pos, 1.0);
  TexCoord = vec2(1.0, 1.0);
  EmitVertex();

  EndPrimitive();
}

c. Fragment shader

#version 410

uniform sampler2D gColorMap;
in vec2 TexCoord;
out vec4 FragColor;
void main() {
  FragColor = texture(gColorMap, TexCoord);
  if (FragColor.r >= 0.9 && FragColor.g >= 0.9 && FragColor.b >= 0.9) {
    discard;
  }
}

4. 全部代码及模型文件

用于实现粒子效果的全部代码以及模型文件可以在OpenGL使用TransformFeedback实现粒子效果 中下载。

三、参考引用

[1]. modern-opengl-tutorial
[2]. ogldev-tutorial28
[3]. 粒子系统–喷泉 [OpenGL-Transformfeedback]


http://www.kler.cn/a/450830.html

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