1.粒子系统

1.1 基础概念

  • Emitter
    发射器
  • Particle System
    把众多的Emitter结合到一起

游戏中的粒子系统的编辑核心就是如何组合Emitter

  • Spawn Position
    发射生成点

  • Spawn Mode
    生成的方式的种类，比如到达一定时机才进行Spawn发射

  • Simulate
    粒子在空间的行为
    使用最简单的显式积分
    旋转
    重力和大小
    一些物理特性，如落地的与地面相遇时反弹

  • Billboard Particle
    最古老，每个粒子都是sprite, 面向相机
    如果尺寸大，建议用Animated texture，texture表面不断变化

  • Mesh Particle
    每个粒子都是Model， 碎片来自于爆炸

  • Ribbon Particle
    Particle拖出一条光带，如刀剑的拖尾的效果。
    在飞行过程中会不断拉出一个个的控制点
    使用Catmull-Rom 曲线，把曲线拉得更光滑

1.2 Rendering

  • Particle Sort
    Mode
  1. Global的方式
    对于整个System进行排序，性能消耗大
  2. 通过层级
    对于Per System -> Per Emitter -> Within emitter
    规则：
  3. 通过相机的远近来
  4. 通过各自System的Bouning Box来
  • Low-Resolution Particles
    对于全Resolution的粒子，会导致严重的性能消耗。因此会把Resolution进行减半处理。
    降低采样率

1.3 GPU粒子

  • Processing Particle on GPU
    粒子系统的Simulate过程对于CPU的性能占用过大，放到GPU中处理。

GPU实现粒子

  • 实现概述
    首先做一个池子，如下
    初始状态
    生成粒子，终究从dead list的尾巴取数据
    生成
    模拟过程
    Simulate
    使用compute shader的原子性特征
    进一步的，实现粒子的view culling的list支持，与dead与active列表区别开
    Swap
  • 排序
    使用归并排序的思想
    GPU上的实现排序
  • 碰撞
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1.4 粒子应用

  • 人群模拟
  1. 把人物做成一个Mesh，使用Animated Particle Mesh，支持skeleton动画
  2. 把人物的原始动画制作成 Particle Animation Texture，再在particle system实现一个简易的ASM。
  3. 人物移动时的Navigation Texture，使用SDF（有正负号的DF），随着值越来越接近零，就知道是否靠近障碍物。 有了SDF算出Direction Field(Texture)，对于一个点就有了一个指引性。再结合ASM里的随机量，实现状态切换模拟真实的情况。
  • 实现动作-骨骼- 破坏等变换。 Unreal例子
  • 与环境感知

1.5 粒子设计工具链

  • Preset Stack-Style Modules
    如unreal的Cascade PS
    传统的有界面有参数，通过叠加module的形式制作粒子。
    缺点是固定的方法和流程，添加新的需要引擎中支持，固定的粒子数据不灵活

  • Graph-Based Design
    参数化与可共享化的graph的设计，类似于蓝图系统的搭建

  • Hybrid Design
    如Unreal的Niagara System Design(引擎中近100万行代码实现)

Niagara System

2.Sound System

2.1 音量单位

音量来自于单位面积受到的音量压强
名词

2.2 分贝

能感知的最小声音：一个蚊子离三米发出的声音，以此为基数，每十倍为一个台阶
分贝

2.3 音色

频率差不多，但多个不同的基波叠加

2.4 降噪

以两种波长互相抵消的方式

人耳的识别

能识别20-50HZ，但实际高过50HZ时，也会产生绕动音色，实际在电影行业制作时是要高于50HZ的

2.5 Digital Sound

把声音从无线连续的信号变成离散信号（Digital化）

  • PCM 脉冲代码调试器
  1. 对于波动的信号采样
  2. 进行Quantizing 变成可以存储的数据
  3. 进行Encoding编码

采样：
人能听见的声波的范围（20-5千HZ）。
香浓定理：对于任何频率的信号，只需要采样密度是频率的两倍，就可以表示无损。

Quantizing:
big-depth: bit depth is the number of bits of information in each sample.

Encoding:
WAV: 无损，质量好
FLAC：lossless，存储
MP3: 只支持立体声，不能支持5.1声音源（环绕音），但重要的是有专利保护。
OGG: 对比MP3，拥有多通道且没有专利保护

声音类型种类

2.6 3D 声音渲染

游戏引擎中的声音难点在于如何创建一个3维的声音场。

  • 3D Sound Sources
    声音源

  • Listener
    虚拟的电话，位置，速度，方向
    如TPS游戏，人物与相机的距离一般在相机和人物主角之间的某处

  • Spatialization
    声音的空间感
    如何区分声音的远近，除了声音的大小，还有到达我左右耳的时间差距，同样的声音到达左右耳的音色变化

  • Panning
    当speaker有许多通道时，通过调整各个通道之间的参数（大小，音色，Latency）创建出空间感

Linear Panning
音强从左往右移动
人对声音的感知是音强的平方，当声源移到离最近的时候听起来会变小
Linear Panning1

Linear Panning2

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在游戏引擎中，更多的是处理好Steroing 两个耳朵的声音感

  • Attenuation
    同样的音源，对于距离不同位置时，高频与低频的衰弱会发生变化。
    真实世界中，有些高频的声音离得远点就听不清，但低频声音能听得更远。
    各样各样的Attenuation的声音Shape：
    Sphere
    Capsule- 如小溪
    Box - 如房间
    Cone - 如喇叭

  • Obstruction and Occlusion

Obstruction and Occlusion

  1. 对于重要的声源，进行声源的Ray-casting的采样。
  2. 根据材质的碰撞表面的属性去决定有多少声源能量损耗或被阻挡
  • Reverb 混响
    与空间与材质影响特别大
  1. Direct(dry) 真实的声音
  2. Early reflections(echo) 回音
  3. Late reverberations(tail) 尾音
    不同材质对于不同波段的吸收是不一样的。无论什么时候，混音的加入是提升感受的重要因素
  • The Doppler Effect
    因为介质在运动过程，声波不断发生扩散，最终感受到的音就一样
    应用于游戏中对于速度感和打击感的感知来源

2.7 Common Middlewares

fmod 维护的不太好， wwise的使用者也越来越多