DirectX (13) 粒子系统
笔者:i_dovelemon
资源:CSDN
日期:2014 / 10 / 16
主题:Point Sprite, Particle System
介绍
在游戏中。非常多的绚丽，灿烂的特效，都能够使用粒子系统制作出来。那么粒子系统。究竟是什么？它是怎样工作的？接下来的文章，将会向大家讲述怎样构建一个简单的粒子系统。
粒子系统
所谓的粒子系统，指的是一个粒子管理器，用于在特定条件下产生特定的粒子。而且赋予粒子以运动。
所以，可以将粒子系统看成是一个个粒子的集合。
而不同的效果。是要我们自己来控制粒子怎样产生，粒子的颜色怎样变化，粒子怎样进行运动。通过控制这些条件，我们就行创造出非常多非常多的特效出来。而关键就在于怎样控制粒子的运动和产生。
既然，我们明确了粒子系统的概念。那么一个粒子究竟是什么？它在计算机中是怎样进行表示的？
简单而言。粒子在计算机中就是使用一个结构来表达。结构中保存了粒子的基本属性，如位置，颜色。生命，以及运动状态相关的參数。不同复杂度的粒子系统，粒子所包括的属性并不同样。假设须要简单的效果。那么仅仅须要几个主要的属性就可以。假设要做出更加复杂。或者更加符合动力学的粒子系统，能够在结构中再加入非常多不同的物理属性。至于怎样加入这些属性，要依赖于你所须要实现的粒子系统的复杂程度，想要支持的功能来进行设计。
当我们为粒子系统设计好了一个粒子结构之后。而且也有了粒子系统。来负责粒子的产生，以及运动等等。我们须要的当然就是显示在界面上。假设没有显示不论什么的内容，即使你的系统再强大，也是白费力气。
DirectX中支持非常多的基本单元类型，最经常使用的如三角形列表，线条列表等等。
在这里，我们将会使用一个称之为Point Sprite的基本单元类型。
Point Sprite。实际上就是一个点。
我们在应用程序阶段，仅仅须要将它当做点进行处理就可以。可是要显示效果，我们自然还是须要进行纹理映射。因为Point Sprite的特殊性。DirectX内部会自己主动的为这些点设置纹理坐标。注意，这里的点仅仅是逻辑意义上的。
DirectX在最后处理的时候。还是会使用多边形来进行处理。
所以这里说的点，存在一个大小的问题。我们可以通过程序来控制产生的点的大小。
为了实现一些效果，我们须要开启Alpha blend。毕竟做粒子特效，假设没有进行颜色混合的话。就是一个一个的单独的纹理，这并非粒子效果了。
并且。粒子在界面显示的时候的先后顺序，对于我们来说并不重要。所以，将depth test以及depth buffer禁用掉，可以提高系统的效率。
基本类的设计
在上面，说了这么多，终于要体如今代码上面。以下是粒子系统的抽象类。当我们须要创建一个新的效果的时候，仅仅要继承这个类，而且复写虚函数就可以。当然，这里的仅仅是一个非常easy的粒子系统设计，提供的粒子属性也非常少。可是也可以做出非常多的效果出来了。假设读者。希望更复杂的效果，就行自己来扩展这个基本类别。然后加入你自己的功能。
废话不多说，直接上代码：
//-----------------------------------------------------------------------
// declaration : Copyright (c), by XJ , 2014. All right reserved .
// brief : This file will define the Particle system
// author : XJ
// file : PSystem.h
// date : 2014 / 10 / 15
// version : 1.0
//-----------------------------------------------------------------------
#pragma once
#include<d3dx9.h>
#include"AABB.h"
#include"Camera.h"
#include<vector>
using namespace XJCollision ;
using namespace std ;
struct Particle
{
D3DXVECTOR3 initPos ;
D3DXVECTOR3 initVelocity;
float initSize ; //in pixel
float initTime ;
float lifeTime ;
float mass ;
D3DXCOLOR initColor ;
static IDirect3DVertexDeclaration9* decl ;
};
class PSystem
{
public:
PSystem(
const char* fxName,
const char* techName,
const char* texName,
const D3DXVECTOR3& accel,
const AABB& box,
int maxNumParticles,
float timePerParticle,
LPDIRECT3DDEVICE9 device,
Camera* camera);
virtual ~PSystem();
public:
float getTime();
void setTime(float fTime);
const AABB& getAABB() const ;
void setWorldMtx(const D3DXMATRIX& world);
void addParticle();
virtual void onLostDevice();
virtual void onResetDevice();
virtual void initParticles(Particle& out) = 0;
virtual void update(float dt);
virtual void draw() ;
protected:
LPDIRECT3DDEVICE9 m_pDevice; // Device
ID3DXEffect *m_FX ; // Effect
D3DXHANDLE m_hTech; // Technique
D3DXHANDLE m_hWVP ; // WVP matrix
D3DXHANDLE m_hEyePosL; //
D3DXHANDLE m_hTex; // Texture
D3DXHANDLE m_hTime; // Time
D3DXHANDLE m_hAccel; // Accel
D3DXHANDLE m_hViewportHeight; // Viewport's height
IDirect3DTexture9* m_Tex; // Texture
IDirect3DVertexBuffer9* m_VB ; // Vertex buffer
D3DXMATRIX m_World; // World matrix
D3DXMATRIX m_InvWorld; // Inverse matrix
float m_Time ; // Time
D3DXVECTOR3 m_Accel ; // Accelerate
AABB m_AABB; // Bounding box
int m_MaxNumParticles; // Max number particles
float m_fTimePerParticle; // Delay time to emit one particle
Camera *m_pCamera ; // Camera
std::vector<Particle> m_Particles; // Particles list
std::vector<Particle*> m_AliveParticles; // Alive particles list
std::vector<Particle*> m_DeadParticles; // Dead particles list
};// end for PSystem
#include"PSystem.h"
#include"MyUtil.h"
#include<d3dx9.h>
IDirect3DVertexDeclaration9* Particle::decl = NULL ;
/**
* Constructor
*/
PSystem::PSystem(const char* fxName,
const char* techName,
const char* texName,
const D3DXVECTOR3& accel,
const AABB& box,
int maxNumParticles,
float timePerParticle,
LPDIRECT3DDEVICE9 device,
Camera* camera)
{
//Save the device
m_pDevice = device ;
//Create error buffer
ID3DXBuffer* _error = NULL ;
HR(D3DXCreateBuffer(128, &_error));
//Create the Effect
HR(D3DXCreateEffectFromFileA(m_pDevice, fxName,
NULL,NULL, D3DXSHADER_DEBUG, NULL, &m_FX, &_error));
//If error
if(_error)
{
MessageBoxA(NULL,(char*)_error->GetBufferPointer(),"Error", MB_OK);
return ;
}
//Get the technique handle
m_hTech = m_FX->GetTechniqueByName(techName);
//Get all the handle
m_hWVP = m_FX->GetParameterByName(0, "gWVP");
m_hEyePosL = m_FX->GetParameterByName(0, "gEyePosL");
m_hTex = m_FX->GetParameterByName(0, "gTex");
m_hTime = m_FX->GetParameterByName(0, "gTime");
m_hAccel = m_FX->GetParameterByName(0, "gAccel");
m_hViewportHeight = m_FX->GetParameterByName(0, "gViewportHeight");
//Create the texture
HR(D3DXCreateTextureFromFileA(m_pDevice, texName, &m_Tex));
//Set parameters
HR(m_FX->SetTechnique(m_hTech));
HR(m_FX->SetTexture(m_hTex, m_Tex));
HR(m_FX->SetVector(m_hAccel, &D3DXVECTOR4(m_Accel,0.0f)));
//Save the time per particles
m_fTimePerParticle = timePerParticle ;
m_Time = 0.0f ;
//Save the AABB
m_AABB = box ;
//Save the camera
m_pCamera = camera ;
//Allocate the memory for the particle
m_MaxNumParticles = maxNumParticles ;
m_Particles.resize(m_MaxNumParticles);
m_AliveParticles.reserve(m_MaxNumParticles);
m_DeadParticles.reserve(m_MaxNumParticles);
//They start all dead
for(int i = 0 ; i < m_MaxNumParticles ; i ++)
{
m_Particles[i].initTime = 0.0f ;
m_Particles[i].lifeTime = -1.0f ;
}
//Create the vertex buffer
HR(m_pDevice->CreateVertexBuffer(m_MaxNumParticles * sizeof(Particle), D3DUSAGE_DYNAMIC|D3DUSAGE_WRITEONLY|
D3DUSAGE_POINTS,0,D3DPOOL_DEFAULT,&m_VB,NULL));
}// end for constructor
/**
* Destructor
*/
PSystem::~PSystem()
{
m_AliveParticles.clear();
m_DeadParticles.clear();
m_Particles.clear();
m_FX->Release();
m_Tex->Release();
m_VB->Release();
}// end for destructor
void PSystem::setTime(float fTime)
{
m_Time = fTime ;
}// end for setTime
void PSystem::setWorldMtx(const D3DXMATRIX& world)
{
m_World = world ;
D3DXMatrixInverse(&m_World,NULL,&m_World);
}// end for setWorldMtx
void PSystem::addParticle()
{
if(m_DeadParticles.size() > 0)
{
Particle* p = m_DeadParticles.back();
initParticles(*p);
m_DeadParticles.pop_back();
m_AliveParticles.push_back(p);
}
}// end for addParticle
void PSystem::onLostDevice()
{
//OnlostDevice for fx
m_FX->OnLostDevice();
if(m_VB)
{
m_VB->Release();
m_VB = NULL ;
}
}// end for onLostDevice
void PSystem::onResetDevice()
{
//OnResetDevice for fx
m_FX->OnResetDevice();
if(m_VB)
{
//Recreate the vertex buffer
HR(m_pDevice->CreateVertexBuffer(m_MaxNumParticles*sizeof(Particle),
D3DUSAGE_DYNAMIC|D3DUSAGE_WRITEONLY|D3DUSAGE_POINTS,0,
D3DPOOL_DEFAULT,
&m_VB,
NULL));
}
}// end for onResetDevice
void PSystem::update(float dt)
{
m_Time += dt ;
//Rebuild the dead list and alive list
m_DeadParticles.resize(0);
m_AliveParticles.resize(0);
//For each particle
for(int i = 0 ; i < m_Particles.size() ; i ++)
{
if((m_Time - m_Particles[i].initTime) > m_Particles[i].lifeTime)
{
m_DeadParticles.push_back(&m_Particles[i]);
}
else
{
m_AliveParticles.push_back(&m_Particles[i]);
}
}// end for
//Check if it is the time to emit one another particle
if(m_fTimePerParticle > 0.0f)
{
static float timeDelay = 0.0f ;
timeDelay += dt ;
if(timeDelay > m_fTimePerParticle)
{
addParticle();
timeDelay = 0.0f ;
}
}
}// end for update
void PSystem::draw()
{
//Get the camera's position in the world and make it relative to the particle system's local system
D3DXVECTOR3 eyeW = m_pCamera->pos();
D3DXVECTOR3 eyeL ;
D3DXVec3TransformCoord(&eyeL, &eyeW, &m_InvWorld);
//Set the FX parameter
HR(m_FX->SetValue(m_hEyePosL,&eyeL,sizeof(D3DXVECTOR3)));
HR(m_FX->SetFloat(m_hTime, m_Time));
HR(m_FX->SetMatrix(m_hWVP, &(m_World* m_pCamera->viewproj())));
HR(m_FX->SetInt(m_hViewportHeight, 600));
//Draw
//set the vertex buffer
HR(m_pDevice->SetStreamSource(0, m_VB, 0, sizeof(Particle)));
//set the vertex declaration
HR(m_pDevice->SetVertexDeclaration(Particle::decl));
Particle* p = 0 ;
HR(m_VB->Lock(0, 0, (void**)&p, D3DLOCK_DISCARD));
UINT vIndex = 0 ;
for(int i = 0 ; i < m_AliveParticles.size(); i ++)
{
p[vIndex] = *m_AliveParticles[i] ;
vIndex ++ ;
}// end for
HR(m_VB->Unlock());
UINT numPass = 0 ;
HR(m_FX->Begin(&numPass, 0));
HR(m_FX->BeginPass(0));
if(vIndex > 0)
{
m_pDevice->DrawPrimitive(D3DPT_POINTLIST,0,vIndex);
}
HR(m_FX->EndPass());
HR(m_FX->End());
}// end for draw我在这个类的基础上继承了一个类，用于实现自己的效果：
#pragma once
#include"PSystem.h"
class FireRing: public PSystem
{
public:
FireRing(const char* fxName,
const char* techName,
const char* texName,
const D3DXVECTOR3& accel,
const AABB& box,
int maxNumParticles,
float timePerParticle,
LPDIRECT3DDEVICE9 device,
Camera* camera)
:PSystem(fxName, techName, texName, accel,
box, maxNumParticles, timePerParticle, device, camera)
{
};
void initParticles(Particle& out)
{
//Save the init time
out.initTime = m_Time ;
//Calculate the life time from 2.0s to 4.0s
out.lifeTime = 20.0f + 2 * (rand()%10001 * 0.0001) ;
//Calculate the initialize size in pixel
out.initSize = 50.0f + 10 * (rand()%10001 * 0.0001) ;
//Calculate the a very small velocity
static float angle = 0.0f ;
D3DXVECTOR3 vel(0.5f, 1.0f, 0.5f);
D3DXMATRIX m ;
D3DXMatrixRotationY(&m,angle);
D3DXVec3TransformCoord(&vel, &vel, &m);
out.initVelocity = vel ;
D3DXVec3Normalize(&out.initVelocity, &out.initVelocity);
angle += 1.0f ;
//Calculate the mass
out.mass = 1.0f + (rand()%10001 * 0.0001) ;
//Calculate the color
float t = (0.5f + 0.5*(rand()%10001 * 0.0001)) ;
out.initColor = D3DXCOLOR(0.0f, 0.0f, t * 1.0f, t * 1.0f);
//Calculate the pos
out.initPos.x = 0.0f;
out.initPos.y = 0.0f ;
out.initPos.z = 0.0f ;
}// end for initParticle
};这个类仅仅要复写它的粒子初始化函数就行了。通过在初始化的里面进行设计。改变粒子的位置，状态等等，我们还是可以做出非常多的效果出来。
以下是这个效果配套的Shader：
uniform extern float4x4 gWVP ;
uniform extern texture gTex ;
uniform extern float3 gEyePosL;
uniform extern float3 gAccel ;
uniform extern float gTime ;
uniform extern float gViewportHeight ;
sampler TexS = sampler_state
{
Texture = <gTex>;
MinFilter = LINEAR ;
MagFilter = LINEAR ;
MipFilter = POINT ;
AddressU = CLAMP ;
AddressV = CLAMP ;
};
struct OutputVS
{
float4 posH : POSITION ;
float4 color: COLOR0 ;
float2 tex0 : TEXCOORD0 ;
float size : PSIZE ;
};
//VS
OutputVS FireRingVS(
float3 posL: POSITION,
float3 vel : TEXCOORD0,
float size : TEXCOORD1,
float time : TEXCOORD2,
float lifeTime: TEXCOORD3,
float mass : TEXCOORD4,
float4 color: COLOR0
)
{
//Clear the output
OutputVS outVS = (OutputVS)0 ;
float t = gTime - time ;
posL = posL + t * vel ;
outVS.posH = mul(float4(posL,1.0f), gWVP);
size += 0.8 * t ;
float d = distance(posL, gEyePosL);
outVS.size = size ; //gViewportHeight * size / (1.0 + 8.0f*d);
color.r = 0.0f ;
color.g = 0.0f ;
color.b = 1.0f * (t / lifeTime) ;
color.a = 1.0f - 1.0f * (t / lifeTime) ;
outVS.color = color ;//(1.0f - (t / lifeTime)) ;
return outVS ;
}
//PS
float4 FireRingPS(float4 color:COLOR0,
float2 tex0: TEXCOORD0):COLOR
{
return color * tex2D(TexS, tex0);
}
technique FireRingTech
{
pass P0
{
vertexShader = compile vs_2_0 FireRingVS();
pixelShader = compile ps_2_0 FireRingPS();
PointSpriteEnable = true ;
AlphaBlendEnable = true ;
SrcBlend = One ;
DestBlend = One ;
ZWriteEnable = false ;
}
}这个粒子的效果例如以下截图：
略微改下。还能实现这种效果：
粒子系统的关键就在与怎样控制粒子的产生，运动等等。通过控制这些，你可以实现不论什么你想要的效果。
行，这是今天结束。
版权声明：本文博客原创文章，博客，未经同意，不得转载。
