Directx11基于GeometryShader的粒子系统

粒子系统作为在游戏中一个挺常见的技术，用在各种爆炸，下雨，火焰等特效中。我们利用GPU中的GeomtryShader来实现一个粒子系统。以下雨特效为例。

介绍粒子系统具体实现前先介绍下GeomtryShader的StreamOutput这个特性。StreamOutput这个Stage把GeometryShader的计算结果输出到一个buffer中。




下面主要从Shader代码设计的角度讲下如何实现一个下雨特效的粒子系统，其核心算法说白了就一句话：分成主粒子和副粒子。主粒子按时间间隔分裂副粒子，副粒子到了一定的时间就死亡。




绘制时要么用公告板绘制一个粒子，要么用一条直线绘制一个粒子。

只是具体的shader代码的设计要花点心思，在其在shader内部经过了两个technique，一个主要利用Geometry Shader的StreamOuput输出到一段buffer中；另一个利用上面的计算结果来进行绘制，具体的粒子运动情况（受重力）的更新等可以放在第二个technique的geometry shader里面。

第一个technique，也就是负责利用Geometry来计算，并通过StreamOutput输出到一个buffer中的technique，为了整体清晰我先把technique写出来：



view
sourceprint?

001.

technique11
 StreamOutTech

002.

003.

004.

005.

{

006.

007.

008.

009.

pass
 P0

010.

011.

012.

013.

{

014.

015.

016.

017.

SetVertexShader(CompileShader(vs_4_0,StreamOut_VS()));

018.

019.

020.

021.

SetGeometryShader(
 ConstructGSWithSO( CompileShader(gs_4_0,StreamOut_GS()),

"POSITION.xyz;VELOCITY.xyz;SIZE.xy;AGE.x;TYPE.x"

)
 );

022.

023.

024.

025.

SetPixelShader(NULL);

026.

027.

028.

029.

SetDepthStencilState(DisableDepth,0);

030.

031.

032.

033.

}

034.

035.

036.

037.

}

038.

039.

040.

041.

//================================================

042.

043.

044.

045.

//StreamOutTech

046.

047.

048.

049.

//================================================

050.

051.

052.

053.

Particle
 StreamOut_VS(Particle vIn)

054.

055.

056.

057.

{

058.

059.

060.

061.

return

vIn;

062.

063.

064.

065.

}

066.

067.

068.

069.

[maxvertexcount(6)]

070.

071.

072.

073.

void

StreamOut_GS(point
 Particle gIn[1],inout PointStream<Particle> pStream)

074.

075.

076.

077.

{

078.

079.

080.

081.

gIn[0].age+=timeStep;

082.

083.

084.

085.

if

(gIn[0].type==P_EMITTER)

086.

087.

088.

089.

{

090.

091.

092.

//主喷射粒子，时间到了一定阀值，就该生成一定数量的副粒子.

093.

094.

095.

if

(gIn[0].age>0.01f)

096.

097.

098.

099.

{

100.

101.

102.

103.

//生成副粒子

104.

105.

106.

107.

for

(

int

i=0;i<5;i++)

108.

109.

110.

111.

{

112.

113.

114.

115.

Particle
 nPt;

116.

117.

118.

119.

nPt.initPosW=emitPosW.xyz+35.0f*GetRandomVec3((

float

)i/5.0f);

120.

121.

122.

123.

nPt.initPosW.y=40.0f;

124.

125.

126.

127.

nPt.initVelW=float3(0.0f,0.0f,0.0f);

128.

129.

130.

131.

nPt.size=float2(1.0f,1.0f);

132.

133.

134.

135.

nPt.age=0.0f;

136.

137.

138.

139.

nPt.type=P_FLARE;

140.

141.

142.

143.

pStream.Append(nPt);

144.

145.

146.

147.

}

148.

149.

150.

151.

gIn[0].age=0.0f;

152.

153.

154.

155.

}

//if(age)

156.

157.

158.

159.

pStream.Append(gIn[0]);

160.

161.

162.

163.

}

//if(type==)

164.

165.

166.

167.

else

168.

169.

170.

{

//副粒子，看时间到了就销毁，不然输出到steamout
 buffer中继续绘制

171.

172.

173.

174.

if

(gIn[0].age<=3.0f)

175.

176.

177.

178.

{

179.

180.

181.

182.

pStream.Append(gIn[0]);

183.

184.

185.

186.

}

187.

188.

189.

190.

}

191.

192.

193.

194.

}

第二个technique就简单了，就是基本的绘制。在GeomtryShader可以更新粒子的运动情况，和把每个雨点看成一条直线。



view
sourceprint?

001.

technique11
 DrawTech

002.

003.

004.

005.

{

006.

007.

008.

009.

pass
 P0

010.

011.

012.

013.

{

014.

015.

016.

017.

SetVertexShader(CompileShader(vs_4_0,Draw_VS()));

018.

019.

020.

021.

SetGeometryShader(
 CompileShader(gs_4_0,Draw_GS()) );

022.

023.

024.

025.

SetPixelShader(
 CompileShader(ps_4_0,Draw_PS()) );

026.

027.

028.

029.

SetDepthStencilState(NoWriteDepth,0);

030.

031.

032.

033.

}

034.

035.

036.

037.

}

038.

039.

040.

041.

Particle
 Draw_VS(Particle vIn)

042.

043.

044.

045.

{

046.

047.

048.

049.

return

vIn;

050.

051.

052.

053.

}

054.

055.

056.

057.

[maxvertexcount(2)]

058.

059.

060.

061.

void

Draw_GS(point
 Particle gIn[1],inout LineStream<DrawGSOut> pStream)

062.

063.

064.

065.

{

066.

067.

068.

069.

if

(gIn[0].type!=P_EMITTER)

070.

071.

072.

//不绘制主粒子

073.

074.

{

075.

076.

//更新粒子的运动情况，这里我们只用了最简单的牛顿定律

077.

078.

float3
 posW1=gIn[0].initPosW+gIn[0].initVelW*gIn[0].age+0.5f*(gForce*0.7)*gIn[0].age*gIn[0].age;

079.

080.

081.

082.

float3
 posW2=posW1+0.2f*gForce;

083.

084.

//把粒子绘制成一条直线，当然也可以绘制成公告板等

085.

086.

087.

088.

089.

DrawGSOut
 gOut1;

090.

091.

092.

093.

gOut1.posH=mul(float4(posW1,1.0f),viewMtx);

094.

095.

096.

097.

gOut1.posH=mul(gOut1.posH,projectMtx);

098.

099.

100.

101.

gOut1.tex=float2(0.0f,0.0f);

102.

103.

104.

105.

pStream.Append(gOut1);

106.

107.

108.

109.

DrawGSOut
 gOut2;

110.

111.

112.

113.

gOut2.posH=mul(float4(posW2,1.0f),viewMtx);

114.

115.

116.

117.

gOut2.posH=mul(gOut2.posH,projectMtx);

118.

119.

120.

121.

gOut2.tex=float2(1.0f,1.0f);

122.

123.

124.

125.

pStream.Append(gOut2);

126.

127.

128.

129.

}

130.

131.

132.

133.

}

134.

135.

136.

137.

float4
 Draw_PS(DrawGSOut pIn):SV_Target

138.

139.

140.

141.

{

142.

143.

144.

145.

return

gTexArray.Sample(gLinearSam,float3(pIn.tex,0.0f));

146.

147.

148.

149.

}

最后场景截图

延伸阅读：

1、Directx11与PhysX的结合

2、Directx11:基于GeometryShader的Billboard公告板绘制

3、Directx11_使用Effect框架包装ComputeShader

4、Directx11_使用Effect框架包装ComputeShader

5、用DirectX实现粒子系统（一）

6、用DirectX实现粒子系统（二）

7、用DirectX实现粒子系统(三)