初试PyOpenGL四 (Python+OpenGL)GPU粒子系统与基本碰撞

　　这篇相当于是对前三篇的总结，基本效果如下：

　　在初试PyOpenGL一 (Python+OpenGL)讲解Pyopengl环境搭建，网格，球体，第一与第三人称摄像机的实现。在初试PyOpenGL二 (Python+OpenGL)基本地形生成与高度检测 里以用高程图生成地形以及以球体做三人称漫游。初试PyOpenGL三 (Python+OpenGL)GPGPU基本运算与乒乓技术 里实现了基本的GPGPU运算。

　　我认为比较完善的GPU粒子系统应该如下，粒子初始化可以放在CPU里，但是相关数据运算首先要放在GPU里，并且运算后的数据也应该放在显存里，而不是内存里。故用第三篇实现GPU粒子系统不满足，因为他数据是存放在纹理中，要放入VBO里，必需先读取经过内存,然后存放入显存里，这里虽然运算是放入GPU了，但是数据要经过显存-内存-显存的过程，产生不必要的消耗，并且，因为数据是存放在纹理的像素里，故限定在片断着色器中，这二个限制导致第三篇里的内容不能用来实现GPU粒子系统，而是用来实现一些需要结合CPU与GPU结合处理的运算。

　　在这里，我们采用OpenGL 里的Transform Feedback,和第三篇采用FBO结合浮点纹理不同，Transform Feedback简单来说，传入一个VBO，经过GPU运算后，放入另一个VBO中，注意二点，操作都是针对VBO，也就是针对显存，故不需要经过CPU与内存，还有一点就是在Transform Feedback里，一个缓存不能同时作为输入和输出。

　　首先来看一下简单的例子介绍Transform Feedback的基本应用，首先指出一点，GLSL3.0与GLSL4.0的Transform Feedback写法有些区别，手上分别有支持3.0与4.0的显示，但是为了更好的兼容性，选择3.0的写法，相应代码和着色器代码如下：

tf_v = """
        #version 330
        in float inValue;
        out float outValue;
        out float out2;
        void main() {
            outValue = inValue+3.0;
            out2 = 1.0;
        }"""

        this.tfProgram = glCreateProgram()
        this.tfProgram = ShaderProgram(this.tfProgram)
        tfvshader = shaders.compileShader(tf_v,GL_VERTEX_SHADER)
        glAttachShader(this.tfProgram,tfvshader)        
        LP_LP_c_char = POINTER(POINTER(c_char))
        ptrs = (c_char_p * 2)('outValue', 'out2')
        print ptrs,len(ptrs)
        c_array = cast(ptrs, LP_LP_c_char)
        glTransformFeedbackVaryings(this.tfProgram, len(ptrs), c_array, GL_INTERLEAVED_ATTRIBS)
        glLinkProgram(this.tfProgram)
        this.tfProgram.invalue = glGetAttribLocation(this.tfProgram,"inValue")

class transformFeedback(common):
    def __init__(this,pro):
        data = [1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0]
        data1 = [1.0] * 5
        this.vbo = vbo.VBO(ny.array(data,'f'))
        this.tbo = vbo.VBO(ny.array(data1,'f'))
        glUseProgram(pro)
        pi = pro.invalue
        #this.vbo = glGenBuffers(1)
        #glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, this.vbo)
        #output data
        this.tbo = glGenBuffers(1)
        glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, this.tbo)
        glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 40, None, GL_STATIC_DRAW)
        #input data 
        this.vbo.bind()
        glEnableVertexAttribArray(pi)
        #in pyopengl,the glVertexAttribPointer last two params must not be 0,0
        glVertexAttribPointer(pi,1,GL_FLOAT,False,4*1,this.vbo) 
        glEnable(GL_RASTERIZER_DISCARD)
        glBindBufferBase(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, this.tbo)
        glBeginTransformFeedback(GL_POINTS)
        glDrawArrays(GL_POINTS, 0, 5)
        glEndTransformFeedback()
        glDisable(GL_RASTERIZER_DISCARD)
        glDisableVertexAttribArray(pi)
        glFlush()

        glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, this.tbo)
        buffer = (ctypes.c_float * 10)()
        #get buffer pointer
        point = ctypes.cast(buffer, ctypes.POINTER(ctypes.c_float)) 
        glGetBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 0, 10 * 4,point)        
        #convert pointer to array
        array = ny.ctypeslib.as_array(point,(10,))
        print "tf",array

        bf = glMapBuffer(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER,GL_READ_WRITE)
        pointv = ctypes.cast(bf, ctypes.POINTER(ctypes.c_float))
        arrayv = ny.ctypeslib.as_array(pointv,(5,))
        print "tfv",arrayv
        glUnmapBuffer(GL_ARRAY_BUFFER) 

　　着色器里代码很简单，传入一个float数据，返回二个float数据，上面我们传入一个数组，[1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0]，经过着色器里简单运算，分别返回这个数据加3值，与一个固定值1.0.然后在transformFeedback我们为了验证正确与否，需要读取VBO里的数据。在这里，pyopengl可以使用glGetBufferSubData与glMapBuffer来得到VBO里的数据，需要注意的是，python与c之间的一些指针，数据的转换，引入ctype,声明ctype类型的数组，然后转换成对应的指针，填充这个数组后，然后转换把指针转化成numpy里的数组.得到的数据如下：

　　可以看到，传出的数据是4，1，5，1，6，1，7，1，8，1，对比传入的是1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0。验证正确。

　　下面我们以上面的例子来实现我们的粒子系统，这里先入相关Python代码。

class particleSystem(object):
    def __init__(this,len=1):
        this.length = len 
        this.cparticles = [0.0] * 7 * len
        this.nparticles = [0.0] * 7 * len
        this.index = 0
        this.center = 0.0,0.0
        this.currenttime = 0.0
        this.height = 2.0
        this.init1()
        this.createVAO()
    def init1(this):
        #pos(x,y,z),vel(x,y,z),time
        for i in range(this.length):
            ind = i * 7
            px,py,pz,tt = ind,ind + 1,ind + 2,ind + 6
            vx,vy,vz = ind + 3,ind + 4,ind + 5
            this.cparticles[px] = 0.0
            this.cparticles[py] = 3.0
            this.cparticles[pz] = random.uniform(0,5) 
            this.cparticles[vx] = random.random()
            this.cparticles[vy] = 0.0
            this.cparticles[vz] = 0.0
            this.cparticles[tt] = random.uniform(1.0,40.0)#random.uniform(0, 3 * this.height)
    def createVAO(this):
        this.currvbo = vbo.VBO(ny.array(this.cparticles,'f'))
        this.nextvbo = vbo.VBO(ny.array(this.nparticles,'f'))           
    def render(this,program):
        ind = this.index % 2  
        span = time.time() - this.currenttime if this.currenttime != 0.0 else 0.0        
        invbo,outvbo = (this.currvbo,this.nextvbo) if ind == 0 else (this.nextvbo,this.currvbo)
        #gpu compute.
        print span
        glUseProgram(program)
        glUniform1f(program.span, span)
        glUniform1f(program.live, 40)
        this.update(invbo,outvbo) 
        glUseProgram(0) 
        #draw particle.
        glColor(0.5,0.8,0.9)
        glPointSize(3.0)
        outvbo.bind()
        glVertexPointer(3,GL_FLOAT,28,outvbo)
        glDrawArrays(GL_POINTS, 0, this.length)
        outvbo.unbind()  
        this.index = this.index + 1 
        this.currenttime = time.time()       
    def update(this,fvbo,svbo):
        #fvbo->shader(GPU)->svbo,should svbo and fvbo both bind.
        svbo.bind()
        fvbo.bind()
        glEnableVertexAttribArray(0)
        glEnableVertexAttribArray(1)
        glEnableVertexAttribArray(2)
        glVertexAttribPointer(0,3,GL_FLOAT,False,4 * 7,fvbo) 
        glVertexAttribPointer(1,3,GL_FLOAT,False,4 * 7,fvbo + 12)
        glVertexAttribPointer(2,1,GL_FLOAT,False,4 * 7,fvbo + 24)
        glEnable(GL_RASTERIZER_DISCARD)
        glBindBufferBase(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER,0,svbo)
        glBeginTransformFeedback(GL_POINTS)
        glDrawArrays(GL_POINTS, 0, this.length)
        glEndTransformFeedback()
        glDisable(GL_RASTERIZER_DISCARD)
        glDisableVertexAttribArray(0)
        glDisableVertexAttribArray(1)
        glDisableVertexAttribArray(2)
        fvbo.unbind()
        #query gpu data is chage?
        #svbo.bind()
        #bf = glMapBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,GL_READ_WRITE)
        #pointv = ctypes.cast(bf, ctypes.POINTER(ctypes.c_float))
        #arrayv = ny.ctypeslib.as_array(pointv,(70,))
        #print "tfv",arrayv
        #glUnmapBuffer(GL_ARRAY_BUFFER)

　　结合前面的例子和上文中的乒乓来看，粒子在这里我们每个定义七个数据，前三个用来表示他的位置，后三个用来表示他的速度，最后一个用来表示他在显存里的存活时间。在update就是把数据从一个缓存经过GPU运算放入另一个缓存的过程，例如第一桢，我们传入fvbo,然后数据输出到svbo.在第二桢里，数据就从svbo经过GPU传入到fvbo，第三，第四分别如第一，第二。这样就能实现如第三篇中的乒乓技术。然后在显示render里，我们就用当前输出的缓存里的数据简单的输出显示，本文只是介绍用法，实现如雪花，雨滴，瀑布等特效需要对相关初始化粒子，着色器代码，添加纹理做更改，但是基本处理还是如上。

　　下面是着色器代码，实现粒子与球的碰撞，也有与地面的交互。代码如下：

particle_v = """
        #version 330
        in vec3 pos;
        in vec3 vel;
        in float time;
        uniform float span;
        uniform vec2 planeSacle;      
        uniform sampler2D plane;
        uniform vec3 sphere;
        uniform float live;
        out vec3 outpos;
        out vec3 outvel;
        out float outtime;
        void main() {
            outpos = pos + vel*span;
            vec2 uv = vec2(pos.xz/planeSacle + vec2(0.5,0.5));
            uv.y = 1.0 - uv.y;
            float hight = texture2D(plane, uv).r;
            vec3 tvel = vel;
            //sphere collision
            float radius = sphere.y;
            vec3 sphereh = sphere + vec3(0.0,hight,0.0);
            if(distance(outpos,sphereh) <= radius)
            {
                tvel = reflect(vel,normalize(outpos-sphereh))/2.0;
            }
            tvel = tvel + vec3(0.0,-0.5,0.0)*span;  
             
            //ground collision
            if(hight > outpos.y)
            {
                outpos.y = hight;
                tvel = vec3(max(vel.x-span*1.1,0.0),0.0,max(vel.z - span*1.1,0.0));
            }
            //update particle live  
            outtime = time + span;    
            if(outtime>=live)
            {
                outpos = vec3(0.0,3.0,hight*5.0);
                outtime = 0.0;
                tvel = vec3(hight,0.0,0.0);
            }
            outvel = tvel;    
        }"""

　　整个过程比较简单，也只考虑一些基本的碰撞，比如球的速度也应该影响碰撞后粒子的方向，但是这里只考虑粒子碰撞球后反射的方向，与地面的碰撞后，不会反弹，会慢慢停止向前移动。

　　最后一些相关着色器的参数设置代码。　　

        this.particleProgram = glCreateProgram()
        this.particleProgram = ShaderProgram(this.particleProgram)
        particleshader = shaders.compileShader(particle_v,GL_VERTEX_SHADER)
        glAttachShader(this.particleProgram,particleshader)        
        LP_LP_c_char = POINTER(POINTER(c_char))
        ptrs = (c_char_p * 3)('outpos', 'outvel','outtime')
        c_array = cast(ptrs, LP_LP_c_char)
        glTransformFeedbackVaryings(this.particleProgram, len(ptrs), c_array, GL_INTERLEAVED_ATTRIBS)
        glLinkProgram(this.particleProgram)
        this.particleProgram.pos = glGetAttribLocation(this.particleProgram,"pos")
        this.particleProgram.vel = glGetAttribLocation(this.particleProgram,"vel")
        this.particleProgram.time = glGetAttribLocation(this.particleProgram,"time")
        this.particleProgram.span = glGetUniformLocation(this.particleProgram,"span")
        this.particleProgram.live = glGetUniformLocation(this.particleProgram,"live")
        this.particleProgram.plane = glGetUniformLocation(this.particleProgram,"plane")
        this.particleProgram.planeSacle = glGetUniformLocation(this.particleProgram,"planeSacle")
        this.particleProgram.sphere = glGetUniformLocation(this.particleProgram,"sphere")

　　在本文中，试着用了5千W个粒子，发现初始化很慢，花了十几秒，但是桢数和5000个粒子基本没有差别，从这里可以看出，GPU并行处理的强大之处。

　　完整代码：PythonGPU粒子系统.zip　操作方式EDSF前后左右移动，WR分别向上与向下，鼠标右键加移动鼠标控制方向，V切换第一人称与第三人称。UP与DOWN切换前面操作的移动幅度。