粒子系统

表示与渲染

• 粒子可以是单个像素、从上一位置到当前位置的线段，但多为公告板；圆形粒子不需要上向量，只要位置。公告板可由几何着色器生成，但实践中用顶点着色器生成精灵可能更快。除颜色纹理外还可加法线贴图；轴向公告板可画更粗的线（如雨）。
• Ericson 的效率建议：

Tatarchuk 等把烟画到 1/16 大小的缓冲，并用方差深度图帮助计算粒子效果的累积分布函数。

• 排序：粒子多时全排序昂贵。美术指定渲染顺序来正确分层不同效果；小或低对比度粒子可不排序；有时可大致按顺序发射；粒子较透明时可用无需排序的加权混合 OIT；Köhler 把粒子渲染到存于纹理数组的 9 层深缓冲，再用计算着色器排序。

粒子着色

• 火花等发光体不需着色，常用加性混合。Green：流体渲染成球形粒子写入深度图，模糊深度、由深度求法线，再与场景合并。
• 灰尘、烟等小粒子可逐图元或逐顶点着色，但会让表面分明的粒子显得扁平；法线贴图更准但多了纹理访问；圆粒子在四角用四个发散法线可能就够。也有用辐射度法线贴图、球谐或更复杂散射模型的；大粒子可细分并在域着色器中逐顶点累积光照。
• 逐顶点快但大粒子质量低（相距远的顶点会漏掉小光源）。低分辨率逐像素光照：每个可见粒子在光照贴图纹理中分配一个图块（按屏幕投影面积 1×1 到 32×32），先把每像素世界位置写入辅助纹理，再用计算着色器借助光源加速结构（第 20 章）采样光源，结果以颜色或球谐写入图块；最终渲染时把图块映射到粒子四边形上逐像素采样。也可每个发射器一个图块，深的光照贴图让大量粒子的效果更有体积感。
• 粒子大多面向观察者且扁平，以上所有光照模型在视点绕发射器旋转时都会出现可见的闪烁。

粒子阴影

• 接收：小粒子常只在顶点处测试阴影贴图。
• 投射到场景：粒子是散点，无法在阴影贴图中光线步进，但可以溅射：把每个粒子的透射率 $T_r=1-\alpha$ 乘入一张初值为 1 的纹理（单通道灰度或三通道彩色），按阴影级联组织，与不透明阴影级联的可见性相乘，即一层透明阴影。缺点：粒子会错误地把阴影投到位于粒子和太阳之间的不透明物体上，通常靠关卡设计避免。
• 自阴影：傅里叶不透明度贴图 (FOM)——从光源视角渲染粒子，把贡献累加为透射函数的傅里叶系数；渲染粒子时由系数重建透射率。适合平滑透射函数，系数有限时透射率剧变处会振铃，产生错误的亮/暗区。替代方案：自适应体积阴影贴图（类似深度阴影贴图）、GPU 优化的粒子阴影贴图（类似不透明度阴影贴图，但只适用于面向相机的粒子，不适用于条带或运动拉伸粒子）、透射函数贴图（类似 FOM）。
• 消光体积：把粒子体素化到存消光系数 $\sigma_t$ 的体积中（像 clipmap 一样放在相机周围），与参与介质统一；从这些体积生成存每体素 $T_r$ 的深度阴影贴图，粒子与参与介质即可互相投影并自阴影。质量受体素尺寸限制，实时下体素较大，阴影粗糙但柔和。

模拟

GPU 可生成精灵动画路径甚至做碰撞检测。流输出可控制粒子出生和死亡（结果存入顶点缓冲每帧在 GPU 上更新）；有 UAV 时粒子系统可完全基于 GPU。书中列出的实践参考：《命运 2》粒子系统、按 Bridson 流体书实现流体、虚幻 4 粒子控制、《声名狼藉：次子》的特效设计、高效生成和渲染雨、基于计算着色器含碰撞检测/透明排序/瓦片渲染的系统、《野蛮传奇》的粒子与图像效果等。

GEA 的视角：粒子效果的特征（卷 II 11.6.4–11.6.5）

• 定位：图形管线主要负责实体物体；在它之上通常叠加一批专门的渲染系统，负责粒子、贴花、毛发、雨雪、水等效果，再加暗角、运动模糊、景深等全屏后处理，最后在屏幕空间叠加菜单和 HUD（卷 II 11.6.4）。GEA 把这些归为"基于卡片的效果"等专门系统。
• 粒子渲染系统负责烟、火花、火焰等无定形物体。GEA 列出粒子效果区别于普通几何的特征（卷 II 11.6.5）：
  1. 由大量很简单的几何组成，最常见的是两个三角形组成的四边形卡片；
  2. 几何通常面向相机（公告板），引擎要保证每个四边形的法线始终指向相机焦点（见 公告板）；
  3. 材质几乎总是半透明，因此有大多数不透明物体没有的严格渲染顺序约束（见 透明渲染与 Alpha 混合）；
  4. 动画方式丰富：位置、朝向、大小、纹理坐标和许多着色器参数逐帧变化，由手工动画曲线或程序方法驱动；
  5. 持续生成和销毁：发射器按指定速率生成粒子，粒子碰到预设的死亡平面、超过寿命或满足其他条件时被销毁。
• 粒子理论上可以用普通三角网格加合适的着色器渲染，但因为上述特性，正式产品引擎总是用专门的粒子动画和渲染系统实现。从点数据生成粒子四边形是几何着色器的典型用途之一（见 曲面细分与几何着色器）。

GPU Gems 的视角：离屏低分辨率粒子（GPU Gems 3 第 23 章）

来源：Iain Cantlay《High-Speed, Off-Screen Particles》；摘录 Chapter 23. High-Speed, Off-Screen Particles — Iain Cantlay。针对烟/雾/爆炸等低频特效的填充率爆炸。

粒子画到主缓冲若干分之一的离屏目标；深度先降采样再做测试。点采样深度会在前景物体周围出光晕；改取邻域最大深度人为收缩剪影，粒子侵入固体一点但观感更好（纯经验 hack）。有深度后软粒子（按相交距离淡出 α）几乎免费。Alpha：RGB 常规混合，α 通道累乘 $(1-\alpha_i)$，合成时用 SeparateAlphaBlend。混合分辨率：Sobel 找离屏图硬边 → 模板遮罩 → 仅边缘区用全分辨率重画粒子。高频碎片（飞石）不适合。极端过度绘制下 4×4 混合分辨率可近乎翻倍帧率。