【UE4】特效之 Particle System 详解（一）—— 综述

本文使用 UE4.26 版本，利用 ActionRPG 示例项目，对 UE 中的粒子特效 (Particle System) 进行学习，总结（虽然 UE5 已经不太打算用这个了，而是使用 Niagara，但是了解还是很有必要的），主要包括：

1. 特效编辑器 Cascade 与 Particle System
2. 特效相关优化
3. 特效相关问题记录

一、Cascade 与 Particle System

1.1 Cascade 里的操作

• Restart Level
  空格（Space），可以按上边的 Restart Level 按钮一样，重新从 0 开始播这整个特效
  

• 切换发射器设置和整个特效设置
  点击一个发射器（Emitter），Details 中会显示发射器的设置，点击发射器中的 Module，Details 中会显示 Module 的设置；如果想切换成整个特效的设置，点击最右侧的黑色区域即可（这也就是为什么不管怎么加发射器，最右边都会留有黑色区域）。

• 折叠发射器
  双击发射器可以折叠发射器，虽然感觉没啥用。。
  

• 重置摄像机
  在预览窗口鼠标右键、左键按住，WASD移动摄像机的操作和正常的编辑器游戏窗口中一样，但是有时候转着转着特效就不知道去哪儿了，这时候，点一下 F 按键即可。

• 背景颜色和 Bounds
  上方的 Background Color 选项可以修改预览窗口的背景颜色，为了更好的观察特效；Bounds 按钮可以显示特效的 Bounds，用于查看是否会有问题，或者 Bounds 过大导致效率降低等。
  

1.2 Cascade 里的术语

  在 UE 中编辑 ParticleSystem 的编辑器叫 Cascade（双击打开一个 Particle System 资源即可），界面如下图所示：

  右侧中间的这部分最重要，是 Emitters，即粒子发射器。

  其中每一个竖着的方块每一个 Emitter，Emitter 有四种类型（像下图就是一个 Mesh 类型 Emitter）：

1. Sprite 默认
2. Mesh（网格，可以做成球形或者其他形状）
3. Beam（激光类型）
4. Ribbon（条带，如飞机拖尾烟雾）

  每一个 Emitter 分为两部分：

  其中：

1. 发射器列 —— 每一列表示一个单独的发射器。
2. 发射器块 —— 这是每个发射器顶部的一个框，其中包含发射器本身的主要属性和控件，例如发射器类型和发射器名称，还包含一些其他主要属性。
3. 模块列表 —— 发射器块下方是定义发射器的外观和行为的所有模块的列表。所有发射器都有一个 必需 模块（Required Module），之后可以添加任意数量的模块来进一步定义行为。

  每一个 Emitter 里的每一横条，是一个 Module（如下图就是一个 Required Module）：

  每个 Module 里的 Details 里，是对于这个 Module 或者说，这个粒子特效的描述（如下图就是 Required Module 的一部分 Detail）

1.3 一些 Note

  想到再写

1.4 代码里的变量

  在代码里，创建出的是 UParticleSystemComponent 类型的特效，如：

UParticleSystemComponent* PSC = UGameplayStatics::SpawnEmitterAtLocation(
	Target->GetWorld(), 
	PSTemplate, 
	StartLocation, 
	Rotator);

  其中所有的粒子是 Emitter Instances，即 1.1 中的 Emitters：

TArray<FParticleEmitterInstance*>& EmitterInstances = PSC->EmitterInstances;

  这是个数组，其中每一个就是 1.1 中的每一个 Emitter（FParticleEmitterInstance 类型）：

for (FParticleEmitterInstance* const EmitterInstance : EmitterInstances)
{

}

  每个 Emitter 可以转成对应的类型，如 Beam 类型的可以直接转

FParticleBeam2EmitterInstance* const Beam = StaticCast<FParticleBeam2EmitterInstance*>(EmitterInstance);
if (Beam && Beam->BeamTypeData)
{
   Beam->BeamTypeData->Speed = TraceSpeed;
}

  对于 Emitter 中的每一个 Module，通过如下方式获取：

EmitterInstance ->CurrentLODLevel->Modules

  想要获取特定类型的 Module，可以直接转，如 Lifetime 这个 Module，就是 UParticleModuleLifetime 类型的（详见 \UnrealEngine\Engine\Source\Runtime\Engine\Classes\Particles 下的文件夹和 .h）

  其中 RequiredModule 比较特殊，单独存的（详见 UParticleLODLevel 类声明），即 每个发射器都有一个Required模块（官方翻译就是：默认必需的模块）：

class UParticleLODLevel : public UObject
{
   GENERATED_UCLASS_BODY()

   /** The required module for this LOD level                               */
   UPROPERTY(instanced)
   class UParticleModuleRequired* RequiredModule;

   /** An array of particle modules that contain the adjusted data for the LOD level  */
   UPROPERTY(instanced)
   TArray<class UParticleModule*> Modules;
}

  如 想拿到 RequiredModule 中的 EmitterLoops，即循环次数，可以直接：

EmitterInstance ->CurrentLODLevel->RequiredModule->EmitterLoops

1.5 Particle System 和 Particle System Component

  Particle System（PS） 是特效资源，在 Content 目录下鼠标悬停在资源上，就能看到介绍；
  Particle System Component（PSC） 是实际播放特效的组件，在世界中创建出来的是这个，可以挂在人身上，也可以不挂。Cascade 中的预览窗口，也是创建了一个 PSC，不过还继承了一层。

/** Components used for drawing the particle system in the preview viewport */
UCascadeParticleSystemComponent* ParticleSystemComponent;

二、Particle System 优化相关

2.1 优化相关概念

2.1 生命周期

• 粒子发射器 - 生命周期
    每一个 Emitter 的生命周期，在 Required Module 中的 Duration 里设置：
  

  其中：

1. Emitter Duration Use Range 、 Emitter Duration Low 、Emitter Duration Low - 用来将每次 Duration 设为一个范围的，一般不怎么用感觉；
2. Emitter Loops - 指这个发射器，循环多少次；0 表示无限循环，值得注意的是：这个值默认就是 0，而有一个发射器是无限循环的，那这个特效将会一直不销毁
3. Emitter Duration - 每一次发射的时长

• 粒子 - 生命周期
    对于每个粒子，在 LifeTime Module 中可以设置，大部分粒子也不应该太长时间：
  

  在Spawn Module 中，可以设置粒子发射的速率，如果 0（默认值），代表发射器每次虚幻，粒子就发射一次，如果是 1，则表示发射器每次循环过程中，粒子每秒发射一次。

2.1.2 粒子数量

  每个 Emitter 面板上有一个数字，代表这个粒子发射器，一次发射多少粒子。在 Viewport 里右下角也可以看到。

  在 Viewport 中，左上角点 View 可以选更多展示的信息。

2.1.3 LOD

  Cascade 中，右上方这些是 LOD 相关设置，其中：

1. 左右两边的 Add LOD - 对应 Add LOD Before 和 Add LOD After ，即在当前 LOD 和下个最高（最低）的 LOD 之间插入一个 LOD
2. Lower LOD 和 Higher LOD - 对应调到上一个或者下一个 LOD
3. LOD - 就是当前 LOD 等级

  选择一个 Emitter 后 Details 中显示的就是这个发射器的细节信息，如果想看整个特效的信息（比如 LOD），点一下右边的黑色空白区域即可。
  可以在 Details 中看到 LOD 的设置：

  这个地方，LODDistances 是不能添加的，需要用上边的 Add LOD 的按钮添加，这里自动就会添加了。
  使用方法很简单，看注释就能看懂：

/**
 *	The array of distances for each LOD level in the system.
 *	Used when LODMethod is set to PARTICLESYSTEMLODMETHOD_Automatic.
 *
 *	Example: System with 3 LOD levels
 *		LODDistances(0) = 0.0
 *		LODDistances(1) = 2500.0
 *		LODDistances(2) = 5000.0
 *
 *		In this case, when the system is [   0.0 ..   2499.9] from the camera, LOD level 0 will be used.
 *										 [2500.0 ..   4999.9] from the camera, LOD level 1 will be used.
 *										 [5000.0 .. INFINITY] from the camera, LOD level 2 will be used.
 *
 */
UPROPERTY(EditAnywhere, editfixedsize, Category=LOD)
TArray<float> LODDistances;

  越远的 LOD 特效应该越少，否则 LOD 就没有啥意义了，且不同 LOD 之间的设置不应该不一样，比如 SpawnRate 这种队表现影响非常大的参数。

  根据官方 - Particle System Level of Detail (LOD) 的介绍，制作一个特效的 LOD 的步骤应该如下：

1. 制作你觉得这个特效最全面的效果（就是全特效），这就是这个特效的 LOD 的最高层（LOD0） - Create your overall desired effect. This will be the highest LOD level.
2. 然后制作最低层 - Next, create the lowest LOD level.
3. 在中间添加任意层，是最高和最低之间可以平滑过渡 - Add any other LOD levels between the two in order to create a smooth transition from highest quality to lowest.

注意：所有 Modules 都只能在最高层进行增加和删除操作。虽然可以这么做

  在制作好最高层 LOD，特效人员觉得可以进行 LOD 的开发后，可以点击 Toolbar 中的 Regenerate Lowest LOD 或者 Regenerate Lowest LOD Duplicating Highest Button 按钮，区别在于，左边的按钮 是通过完全复制最高层，来生成一个最低层 LOD；而右边这个按钮 是生成一个最底层，并降低 Spawn Rate（亲测 Spawn Rate 会从 2 变成 0.2，降得还是挺多的）。

注意： 这个操作会删除现有的所有 LOD，除了最高等级的 LOD（会弹出一个确认框）。

  降 SpawnRate 的代码如下，即默认是降到 10%，除了选完全复制最高层，以及目前不支持的 Beam 类型外。

bool UParticleEmitter::AutogenerateLowestLODLevel(bool bDuplicateHighest)
{
	// blabla
	float Percentage	= 10.0f;
	if (SourceLODLevel->TypeDataModule)
	{
		UParticleModuleTypeDataBeam2*	Beam2TD		= Cast<UParticleModuleTypeDataBeam2>(SourceLODLevel->TypeDataModule);

		if (Beam2TD)
		{
			// For now, don't support LOD on beams and trails
			Percentage	= 100.0f;
		}
	}

	if (bDuplicateHighest == true)
	{
		Percentage = 100.0f;
	}

	if (LODLevel->GenerateFromLODLevel(SourceLODLevel, Percentage) == false)
	{
		
	}
}

  注意：LOD 默认距离是 2500（即 25 米），详见 void FCascade::RegenerateLowestLOD(bool bDupeHighest)
  通过 Higher LOD 按钮（这里的 higher 指上边，其实是更低层级的 LOD），可以切到刚生成的最低级LOD，默认所有 Module 是 不能编辑 的（背景会有黑色花纹）：

  如果想编辑，在想编辑的 Module 上，右键然后选择 Duplicate from Highest 即可：
)

  注意：： 对于 Emitter 来说，Detail 的信息（比如 Siginificance Level，Render Mode 等），只有在 LOD 0 是可以编辑的，其他层上都不能编辑，只能编辑 Module。

2.2 Cascade 中的优化

2.2.1 生命周期

  美术人员在制作特效后，需要确认不是循环的特效，这个 Emitter Loop 值不是 0，否则对效率和内存都有影响。
  在 Cascade 的预览窗口（Viewport）中，点 Restart Level 然后看什么时候会出现 Complete 字样（Complete 代表这个特效要销毁了），可以大致知道这个特效会持续多久，如果很久没有出现，那就需要注意了，是不是 Emitter Duration 配的很长。

2.2.2 性能

  在 Viewport 窗口中，点 View 选择 View Modes -> Shader Complexity ，可以看到这个特效的复杂度，越红，复杂度越高。

  运行时可以按 F5 切换成这个模式，白色说明性能已经非常差了！！

2.3 数据查看

  详见 Core Optimization Concepts for Particle Systems。

2.3.1 Stat UNIT

  运行游戏，按 ~ 键（1 左边那个），然后输入 Stat UNIT，可以看到下图所示界面：

2.3.2 Stat Particles

  运行游戏，按 ~ 键（1 左边那个），然后输入 Stat ParticlesOverview（打了 stat particle 之后能看到还有一些其他选项），可以看到下图所示界面，播放特效后会显示数据：

  其中：

1. GT - 表示 Game Thread
2. RT - 表示 Render Thread

  按理说，放一个技能之前是多少，放玩技能，特效都结束之后，这个数还应该是多少，如果结束很久了，这个 CallCount 还是变多了没有变化来，说明一定有特效时长/生命周期有问题。

2.3.3 Stat StartFile

  输入 Stat StartFile，然后正常进行游戏，或者针对性进行特定操作，然后 输入 Stat StopFile，这时候在 \ARPG\ARPG\Saved\Profiling 目录下就会生成记录文件。
  从 Window -> Developer Tools -> Session Frontend，中 Profiler 界面，Load 对应记录文件，就可以打开了。

  里边数据很详细，比如 2.3.2 中的 GT concurrent Total，可以通过搜索，搜出来，双击之后，可以在 Graph View 中看到最大最小，以及平均值。

2.3.4 Content 目录下

  在 Content 目录下，可以用 Filters 筛选出 Particle System，如下图所示：

  鼠标悬停到每一个特效资源文件上，会有简略信息的显示：

  如果想要按照一些信息进行排序，可以在 Content 目录右下角，View Options 中选择 Columns，就可以按不同数据进行排序了：

2.4 特效池（WorldPSCPool）

  关于特效池，可以看第二篇 —— 【UE4】特效之 Particle System 详解（二）—— 特效池（本文中只需要知道一点，默认释放出来的特效，是没有放入池子管理的）。

三、Particle System 问题记录

  这个由于太多了，也会写一篇单独的，

四、参考资料

1. Particle System User Guide（官方操作指南 - Cascade 基本术语和知识）
2. Particle System Reference
3. Unreal Engine 4 Particle Systems Tutorial（轻松上手粒子系统）
4. VFX Optimization Guide
5. 粒子系统用户指南（官方）
6. 粒子系统的关键概念（官方）
7. 级联粒子编辑器参考（官方）
8. Core Optimization Concepts for Particle Systems（官方）
9. Particle System Level of Detail (LOD)（官方）