c++ - 粒子系统的点 Sprite

Question

点精灵是构建粒子系统的最佳选择吗？

新版OpenGL和最新图形卡的驱动程序中是否存在点精灵？还是应该使用vbo和glsl来做？

Answer 1

点精灵确实非常适合粒子系统。但是它们与VBO和GLSL没有任何关系，这意味着它们是完全正交的功能。无论是否使用点精灵，都必须始终使用VBO上载几何图形，无论它们只是点，预制精灵还是其他任何东西，并且始终必须通过一组着色器将此几何图形放置(在现代OpenGL中)当然)。

话虽如此，点子精灵在现代OpenGL中得到了很好的支持，只是不像旧的固定功能方法那样自动获得。不支持点衰减功能，这些功能可让您根据点到相机的距离来缩放点的大小，而您必须在顶点着色器中手动执行此操作。以同样的方式，您必须使用特殊的输入变量gl_PointCoord在适当的片段着色器中手动对点进行纹理处理(即当前片段在整个点的[0,1]平方中的位置)。例如，基本的点精灵管道可能看起来像这样:

...
glPointSize(whatever);              //specify size of points in pixels
glDrawArrays(GL_POINTS, 0, count);  //draw the points

顶点着色器:

uniform mat4 mvp;

layout(location = 0) in vec4 position;

void main()
{
    gl_Position = mvp * position;
}

片段着色器:

uniform sampler2D tex;

layout(location = 0) out vec4 color;

void main()
{
    color = texture(tex, gl_PointCoord);
}

就这样。当然，这些着色器只是对纹理精灵进行最基本的绘制，但是它们是进一步功能的起点。例如，要根据精灵到相机的距离来计算精灵的大小(也许是为了为其提供固定的世界空间大小)，您必须 glEnable(GL_PROGRAM_POINT_SIZE)并写入顶点着色器中的特殊输出变量 gl_PointSize:

uniform mat4 modelview;
uniform mat4 projection;
uniform vec2 screenSize;
uniform float spriteSize;

layout(location = 0) in vec4 position;

void main()
{
    vec4 eyePos = modelview * position;
    vec4 projVoxel = projection * vec4(spriteSize,spriteSize,eyePos.z,eyePos.w);
    vec2 projSize = screenSize * projVoxel.xy / projVoxel.w;
    gl_PointSize = 0.25 * (projSize.x+projSize.y);
    gl_Position = projection * eyePos;
}

这将使所有点精灵具有相同的世界空间大小(并因此具有不同的屏幕空间大小(以像素为单位))。

但是，在现代OpenGL中仍得到完美支持的点精灵也有其缺点。最大的缺点之一是它们的剪切行为。点在其中心坐标处被剪裁(因为剪裁是在栅格化之前完成的，因此在点被“放大”之前)。因此，如果该点的中心在屏幕外部，则可能会一直到达查看区域的其余部分不会显示，因此，最糟糕的是，一旦该点离开屏幕的一半，它就会突然消失。但是，只有当点精灵太大时，才可以注意到(或调音)。如果它们是非常小的粒子，无论如何都不能覆盖多于几个像素，那么这将不是什么大问题，我仍将粒子系统视为点精灵的典型用例，只是不要将它们用于大型广告牌。

但是，如果这是一个问题，那么除了将所有子图预先构建为CPU上的单个四分之一的天真方法之外，现代OpenGL还提供了许多其他方法来实现点子图。您仍然可以将它们渲染为充满点的缓冲区(从而可以将它们从基于GPU的粒子引擎中提取出来)。然后，要实际生成四边形几何图形，可以使用几何图形着色器，它使您可以从单个点生成四边形。首先，您仅在顶点着色器中执行modelview转换:

uniform mat4 modelview;

layout(location = 0) in vec4 position;

void main()
{
    gl_Position = modelview * position;
}

然后，几何着色器完成其余工作。它将点的位置与通用[0,1] -quad的4个角相结合，并完成了到剪贴空间的转换:

const vec2 corners[4] = { 
    vec2(0.0, 1.0), vec2(0.0, 0.0), vec2(1.0, 1.0), vec2(1.0, 0.0) };

layout(points) in;
layout(triangle_strip, max_vertices = 4) out;

uniform mat4 projection;
uniform float spriteSize;

out vec2 texCoord;

void main()
{
    for(int i=0; i<4; ++i)
    {
        vec4 eyePos = gl_in[0].gl_Position;           //start with point position
        eyePos.xy += spriteSize * (corners[i] - vec2(0.5)); //add corner position
        gl_Position = projection * eyePos;             //complete transformation
        texCoord = corners[i];                         //use corner as texCoord
        EmitVertex();
    }
}

在片段着色器中，您当然会使用自定义的 texCoord变量而不是 gl_PointCoord进行纹理化，因为我们不再绘制实际点。

另一个可能的方法(可能是更快的方法，因为我记得几何着色器以其速度较慢而著称)将使用实例渲染。这样，您就有了一个额外的VBO，它仅包含单个通用2D方形的顶点(即[0,1]正方形)，而您的旧VBO仅包含点位置。然后，您要做的是多次绘制该单个四边形(有实例)，同时从VBO点获取单个实例的位置:

glVertexAttribPointer(0, ...points...);
glVertexAttribPointer(1, ...quad...);
glVertexAttribDivisor(0, 1);            //advance only once per instance
...
glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 4, count);  //draw #count quads

然后在顶点着色器中，将每个点的位置与实际的角/四角位置(这也是该顶点的纹理坐标)组合起来:

uniform mat4 modelview;
uniform mat4 projection;
uniform float spriteSize;

layout(location = 0) in vec4 position;
layout(location = 1) in vec2 corner;

out vec2 texCoord;

void main()
{
    vec4 eyePos = modelview * position;            //transform to eye-space
    eyePos.xy += spriteSize * (corner - vec2(0.5)); //add corner position
    gl_Position = projection * eyePos;             //complete transformation
    texCoord = corner;
}

这实现了与基于几何着色器的方法相同的效果，即正确裁剪的点精灵具有一致的世界空间大小。如果您实际上想模仿实际点精灵的屏幕空间像素大小，则需要付出更多的计算努力。但这是一项练习，并且与从点精灵着色器到世界到屏幕的转换完全相反。