粒子系统--火焰 [OpenGL-Transformfeedback]

火焰粒子系统

• 前言
• 火焰的物理模型
• 火焰粒子系统构建
• 实现效果演示

前言

本次带来火焰粒子系统的实现，这里的火焰是火堆型，使用的图形API为OpenGL3.3+，采用OpenGL的trasnform feedback特性。如果对transform feedback特性不了解的同学，建议翻一下前面喷泉粒子系统里面介绍的教程链接，本人不再赘述。

火焰的物理模型

我们模拟的一片火焰，假设粒子产生区域为三维空间中 y=0 的 XOZ 平面，并在平面上选择一定的去选随机产生粒子，由下向上发射，模拟火焰向上燃烧的效果。现在我们根据生活中的经验提取一些火焰的特征！

1.火焰燃烧时，通常是焰心部分火焰非常旺盛，向外逐渐减少。这个特性用粒子来描述就是：通常粒子初始化区域的中心附近粒子较为密集，向外逐渐变得稀疏，呈正太分布，通过下式可以对粒子的初始位置进行赋值，使之符合正太分布的特征：

Pos(x)=12∗PI∗r−−−−−−−−√∗exp(−(Xi−X0)22∗r2)

Pos(y)=0

Pos(z)=12∗PI∗r−−−−−−−−√∗exp(−(Zi−Z0)22∗r2)

其中， (X0,Y0,Z0)是火焰燃烧时的中心位置，r是燃烧区域的半径，*{Pos(x),Pos(y),Pos(z)}是火焰粒子产生的初始位置。 但我们不是复杂算法的死忠粉，上面的公式计算量太大了点。为了进一步提高系统运作效率，也可以通过叠加过程初始化火焰粒子的位置，此时火焰大小与下式中的n值相关，新粒子的位置范围也有n和Adj_value共同决定:

Pos(x)=∑i=0nRand1()∗Adj_value

Pos(y)=0

Pos(z)=∑i=0nRand2()∗Adj_value

上式可近似地模拟出高斯分布的正太规律，相比更有效率。其中Rand1()和Rand()2分别为不同的随机数，其范围为[-1,1]。Adj_value是一个调整因子，人为设置，用来调节模拟效果。

2.火焰粒子速度的初始化，粒子的速度是个非常重要的因素，需要保证它的局部随机性，又要在整体上维持火焰的外观。这里采用平均数法:

InitVeloc=(MaxVeloc−MinVeloc)∗rand_Num+MinVeloc

InitVeloc为初始速度，MaxVeloc为最大的速度，MinVeloc是最小的速度，rand_Num为[0,1]的随机数。这个公式不难理解。

3.火焰粒子的寿命初始化，中心的火焰粒子寿命长，边缘的粒子寿命短。所以初始化时火焰粒子的寿命是当前粒子到火焰中心的距离有关的，你可以是写个线性函数使之火焰的寿命随着距离的增加而减少。这里我将其简化了，初始化时设定一个中心区域的区里r，粒子到中心的距离超过这个r则寿命不变，没有超过则增加它的寿命。请注意不要将寿命和年龄混淆了！如下所示：

           dist = sqrt(Position1.x*Position1.x + Position1.z*Position1.z);
           if(dist <= r)Life*= 1.3;

3.火焰粒子运动模型，对于火焰粒子来说，重力加速度几乎可以忽略，你见过那种火焰受到重力因素而掉下来的→_→。相反，空气浮力的因素对火焰的影响更大。所以我们就假设在y方向，火焰受到一个y轴正向的作用力，所以最基础的加速度向量为vec3(0.0,1.0,0.0)，浮力多少可以根据效果调整。那么收到风力的影响就直接改变这个加速度向量的x或z分量即可。

4.火焰运动过程中的大小的变化，其实我们细心的观察一下，火焰在燃烧的过程中大小的变化也是呈现一种正太分布的！一开始火焰粒子大小比较小，然后逐渐增大，当到达一定的时间后，它又逐渐变小然后消失。我们以年龄中期为分界线，那么以粒子年龄为自变量，火焰生命周期中大小的变化符合正太分布：

factor=1.0(Age−Life/2)2+1.0

上面的公式描述了随着年龄周期的变化粒子的相应的变化factor，故可以动态改变粒子的大小

Size=factor∗Max_size

其中Max_size为粒子最大的大小。其实，不仅粒子大小也符合这个规律，还有火焰例子的透明度！在火焰初期，火焰粒子透明度很低，然后逐渐升高，最后又逐渐降低，这样就会呈现在火焰中心火焰粒子最亮，上升到一定的高度逐渐消失。所以粒子的Alpha通道动态设置如下：

alpha=factor

注意，alpha越低，表示越透明，alpha越高，越不透明。

火焰粒子系统构建

粒子属性：粒子分为两类，一类为发射器，只发射粒子而不运动，年龄到了发射器粒子，然后重置发射器的年龄。第二类粒子负责运动。

    struct FlameParticle
    {
        float type;//粒子类型，分发射器和第二级粒子
        glm::vec3 position;
        glm::vec3 velocity;
        float lifetimeMills;//年龄
        float alpha;//alpha通道
        float size;//粒子点精灵大小
        float life;//寿命
    };

粒子初始化：初始化过程没什么好说的，原理在上面已经说了。

    void Flame::GenInitLocation(FlameParticle particles[], int nums)
    {
        srand(time(NULL));
        int n = 10;
        float Adj_value = 0.05f;
        float radius = 0.7f;//火焰地区半径
        for (int x = 0; x < nums; x++) {
            glm::vec3 record(0.0f);
            for (int y = 0; y < n; y++) {//生成高斯分布的粒子，中心多，外边少
                record.x += (2.0f*float(rand()) / float(RAND_MAX) - 1.0f);
                record.z += (2.0f*float(rand()) / float(RAND_MAX) - 1.0f);
            }
            record.x *= radius;
            record.z *= radius;
            record.y = center.y;
            particles[x].type = PARTICLE_TYPE_LAUNCHER;
            particles[x].position = record;
            particles[x].velocity = DEL_VELOC*(float(rand()) / float(RAND_MAX)) + MIN_VELOC;//在最大最小速度之间随机选择
            particles[x].alpha = 1.0f;
            particles[x].size = INIT_SIZE;//发射器粒子大小
                                          //在最短最长寿命之间随机选择
            particles[x].lifetimeMills = (MAX_LIFE - MIN_LIFE)*(float(rand()) / float(RAND_MAX)) + MIN_LIFE;
            float dist = sqrt(record.x*record.x + record.z*record.z);
            particles[x].life = particles[x].lifetimeMills;
        }
    }

粒子属性更新:几何着色器代码。

#version 330 core
layout (points) in;
layout (points,max_vertices = 10) out;

in float Type0[];
in vec3 Position0[];
in vec3 Velocity0[];
in float Age0[];
in float Alpha0[];
in float Size0[];
in float Life0[];

out float Type1;
out vec3 Position1;
out vec3 Velocity1;
out float Age1;
out float Alpha1;
out float Size1;
out float Life1;

uniform float gDeltaTimeMillis;//每帧时间变化量
uniform float gTime;//总的时间变化量
uniform sampler1D gRandomTexture;
uniform float MAX_LIFE;
uniform float MIN_LIFE;
uniform vec3 MAX_VELOC;
uniform vec3 MIN_VELOC;
uniform float r;

#define PARTICLE_TYPE_LAUNCHER 0.0f
#define PARTICLE_TYPE_SHELL 1.0f

vec3 GetRandomDir(float TexCoord)
{
    vec3 Dir = texture(gRandomTexture,TexCoord).xyz;
    Dir -= vec3(0.5,0.5,0.5);
    return Dir;
}

vec3 Rand(float TexCoord){//随机0-1
    vec3 ret = texture(gRandomTexture,TexCoord).xyz;
    return ret; 
}

void main()
{
    float Age = Age0[0] - gDeltaTimeMillis;
    if(Type0[0] == PARTICLE_TYPE_LAUNCHER){//火焰发射粒子
        if(Age <= 0 ){
            //发射第二级粒子
            Type1 = PARTICLE_TYPE_SHELL;
            Position1 = Position0[0];
            //与初始发射器一样，在最大和最小速度之间随机
            Velocity1 = (MAX_VELOC-MIN_VELOC)*Rand(Age0[0]).x+MIN_VELOC;
            //寿命同上
            Age1 = (MAX_LIFE-MIN_LIFE)*Rand(Age0[0]).y + MIN_LIFE;
            //求当前粒子到圆心的距离，默认中心在原点
            float dist = sqrt(Position1.x*Position1.x + Position1.z*Position1.z);
            //火焰的寿命在中心长一点，边缘短，这里简单以到中心的距离为标准
            //r为火焰中心半径
            if(dist <= r)Age1 *= 1.3;
            Life1 = Age1;
            Alpha1 = Alpha0[0];
            Size1 = Size0[0];
            EmitVertex();
            EndPrimitive();
            Age = (MAX_LIFE-MIN_LIFE)*Rand(Age0[0]).z + MIN_LIFE;
        }
        Type1 = PARTICLE_TYPE_LAUNCHER;
        Position1 = Position0[0];
        Velocity1 = Velocity0[0];
        Age1 = Age;
        Alpha1 = Alpha0[0];
        Size1 = Size0[0];
        Life1 = Life0[0];
        EmitVertex();
        EndPrimitive();
      }
    else{//第二级粒子
        if(Age >= 0){
            //将时间转为以秒为单位
            float DeltaTimeSecs = gDeltaTimeMillis/1000.0f;
            //求位置的变化量，这里未考虑重力加速度
            vec3 DeltaP = Velocity0[0]*DeltaTimeSecs;
            vec3 DeltaV = DeltaTimeSecs*vec3(0.0,1.0,0.0);
            Type1 = PARTICLE_TYPE_SHELL;
            Position1 = Position0[0] + DeltaP;
            Velocity1 = Velocity0[0] + DeltaV;
            Age1 = Age;
            Life1 = Life0[0];
            //在粒子生命周期中，一开始比较小，后来增大，然后又减小
            //以下用当前剩余寿命和全部寿命设置大小和alpha,实际上曲线是呈现正太分布，中间大，两边小
            float factor = 1.0f/((Age/1000.0f - Life1/2000.0f)*(Age/1000.0f - Life1/2000.0f)+1);
            Alpha1 = factor;
            Size1 = 25.0*factor;
            EmitVertex();
            EndPrimitive();
        }
    }
}

粒子纹理:用点精灵渲染粒子，采用如下的两张图片进行纹理采样，通过discard将粒子的轮廓显现出来，同时也开启了融合blending。

粒子渲染:

#version 330 
in float Alpha;
in float Age;
in float Life;
out vec4 color;
uniform sampler2D flameSpark;
uniform sampler2D flameStart;

void main()
{
    vec4 texColor;
    if((Age/Life) < 0.6)
        texColor = texture(flameSpark,gl_PointCoord);
    else 
        texColor = texture(flameStart,gl_PointCoord);
    if(texColor.r < 0.1f)discard;
    color = vec4(0.5f,0.3,0.1,Alpha);
}

实现效果演示