十二、特效：粒子和声效系统

12.1 粒子基础

12.1.1 粒子

空间中的一个面片/3D模型，包含如下属性：

位置、速度、大小、颜色、生命周期

12.1.2 粒子的生命周期

12.1.3 粒子发射器

发射器设置粒子的随即初始值：

随机速度、随机方向

12.1.4 粒子生成

生成位置：

单点、区域、mesh

生成模式：

连续型、爆发型

12.1.5 粒子模拟

可以改变粒子的

位置、旋转、颜色、大小
与环境产生碰撞

12.1.6 粒子的类型

12.1.6.1 Billboard Particle

一个面片，始终朝向摄像机

12.1.6.2 Mesh Particle

每个粒子都是一个3D模型

每个particle都不一样，可以通过XYZ方向的随机放缩&旋转实现

12.1.6.3 Ribbon Particle

每个粒子拖出的是一条光带

粒子在飞行的过程中，会拉出一个个额外的控制点
每个粒子有一定的宽度，把一个个控制点连接在一起

一般会使用样条曲线插值，使用Catmull曲线

12.2 粒子渲染

12.2.1 透明物排序

从最远的透明物，逐步画到最近的透明物

12.2.2 粒子排序

全局排序：将所有emitter生成的粒子放在一起排序

优点：真实
缺点：绘制成本高

按照emitter分类排序

缺点：不同emitter生成的粒子相互的重叠关系不对，如右下图

12.2.3 Full-Resolution Particles

粒子由于是透明物，因此无法像其他物体一样，只需要shading最后一个像素，因此会十分吃性能

12.2.4 Low-Resolution Particles

将屏幕的分辨率降低，然后绘制所有透明物体，最后再将其进行上采样，与原有图像混合

下采样后的绘制不需要绘制Z-Buffer，因为每一个透明物体都需要绘制
需要对整个图像计算一个alpha值，用于后续的混合
当粒子离相机特别近的时候，会删除一些粒子，以降低在同一个像素点上需要绘制的粒子的数量

12.3 GPU粒子

12.3.1 生成 => 模拟 => 排序

12.3.1.1 Initial State

定义Particle Pool，用于保存所有粒子的描述数据
- 如位置、速度、颜色、尺寸
定义Dead List，用于表示当前Particle Pool中可用的粒子数据
定义Alive List，用于表示活着的粒子的数据

12.3.1.2 Spawn Particles

假设一个emitter产生了5个粒子：

从Dead List的尾部取5个位置，放到Alive List中

12.3.1.3 Simulate

计算Alive List中所有粒子的属性，并写入Particle Pool

如果该粒子活着，则将其添加到Alive List 1中
如果该粒子死亡，则将其添加进Dead List中

每个tick时，在computer shader中，计算出每个粒子生命周期的变化，将其反向更新到Alive List & Dead List，再通过buffer swapping，就得到了下一帧要绘制的粒子
使用frustum culling，得到所有可见的粒子的列表，进一步减少要绘制的粒子数量

12.3.1.4 Sort，Render and Swap Alive Lists

12.3.2 并行的归并排序

在两个数列中选取一个元素，判断其在合并数列之后的位置：

当前数列中在自己前面的，在合并数列中依旧在自己前面
在另一个数列中，二分查找有哪些数在自己的前边
两者加和，即可得到自己在合并数列中的位置

12.3.3 Depth Buffer Collision

用View Space的深度缓冲，模拟出空间的几何形状，粒子在这里进行碰撞

12.4 粒子应用

12.4.1 Animated Particle Mesh

每个粒子存储一个影响自己的Bone
把每个粒子所有可能的动画，和在某个状态对粒子速度的影响，全部转换为一个texture
每个粒子在simulation的时候，不仅仅计算速度位移，还需要在状态机之间来回切换

让粒子在世界中流动起来：

根据当前场景形成一个SDF场，表示当前角色在建筑的里面还是外面
由SDF，可以得到场景中任何一个位置的导向图
对于每个粒子，可以由导向图生成一个指引性的力，让人物动起来
在计算过程中，可以添加一些随机量，让粒子随机切换状态

12.4.3 Design Philosophy

12.5 声音基础

12.5.1 相关术语

12.5.1.1 音量

音量本质上是空气的压强

12.5.1.2 Pitch 频率

12.5.1.3 Timbre 音色

音色是由不同基波叠加产生的差异

12.5.1.4 相位 & 降噪

12.5.1.5 人的听力范围

12.5.2 数字声音

12.5.2.1 PCM：脉冲代码调制器

对信号依次进行：

采样
量化
编码

12.5.2.2 Audio Format

12.6 三维音频渲染

12.6.1 Listener

是一个虚拟的麦克风

位置（第三人称游戏通常会在角色和相机之间的某个点）
速度
朝向

12.6.2 Spatialization 空间感

声音的大小
到达左右耳之间声音的差距（10ms即可感知差距）
到达左右耳时，音色会发生变化

12.6.3 Panning

Panning算法：通过调整在通道中不同声音的大小、音色、latency，产生虚拟的空间感觉

12.6.4 Attenuation 衰弱

12.6.5 环境的影响

通过ray casting计算相应的效果

12.6.6 混响

干音dry：直接进入耳朵的声音
回音echo：声音打到墙上反射的声音
尾音tail：声音产生回音之后，还会有没有打到耳朵的声音继续反弹，产生尾音

12.6.7 运动中的声音：多普勒效应

12.6.8 对声场的采样

12.6.9 常用声音中间件

通过中间件，连接audio designer和游戏引擎，让audio designer在自己习惯的环境下工作