Все статьи / Системы частиц

В этой статье будет показана система частиц с источником частиц, основанным на генераторе случайных чисел, и отображением частиц с помощью Instancing

В прошлых статьях мы применяли линейную алгебру и тригонометрию. Теперь пришло время теории вероятностей: именно она позволяет симулировать связанную физическими законами систему из множества простых частиц, таких как дым, огонь, молния, дождь, брызги воды, пар или облака:

Скриншот

Подготовка проекта

  • Обновите или клонируйте репозиторий github.com/cg-course-2018/QtLabs2D

  • Переключитесь на ветку “sample12”, создайте от неё новую ветку, уникальную для вас - например, “sample12_%ФАМИЛИЯ%”
  • Откройте QtLabs2D.sln, соберите и запустите проект Sample12
  • Вы увидите следующее:

Скриншот

Пока что система частиц рисуется неправильно - мы исправим это в скором времени.

Модель системы частиц

Система частиц состоит из

  • генератора частиц - emitter, который представлен классом ParticleEmitter
  • набора живых частиц, хранимого в классе ParticleSystem
  • физических законов, действующих на частицы - таких, как сила тяготения

Откройте заголовок класса ParticleEmitter и ознакомьтесь с интерфейсом.

Генератор частиц - экземпляр класса ParticleEmitter - создаёт новые частицы через случайные интервалы времени.

  • Интервал времени может быть меньше

Случайным вариациям поддаются:

  • дистанция от источника частиц, на которой появляется частица
  • отклонение направления частицы от направления источника
  • скорость частицы
  • время жизни частицы
  • интервал между генерацией двух частиц

Интервал между генерацией и время жизни распределены по закону нормального распределения:

Диаграмма

Остальные величины подчиняются линейному распределению вероятностей.

Сортировка частиц и порядок рисования

Частицы являются полупрозрачными объектами. Из-за математических особенностей смешивания цветов должны соблюдаться следующие правила:

  • полупрозрачные грани поверхностей должны рисоваться после всех непрозрачных граней
  • при взаимном наложении граней их нужно отсортировать в порядке удаления от наблюдателя

Если сортировку не выполнять, частицы будут нарисованы в хаотическом порядке. Если к тому же выполняется тест глубины, то расположенные сзади и выводимые позднее частицы ошибочно не пройдут тест глубины:

Иллюстрация

Сортировку можно реализовать в методе ParticleSystem::updateParticlePositions. Сортировка должна выполняться в порядке удалённости от наблюдателя (от камеры).

Задание cg12.1: сортировка системы частиц

Найдите в проекте следующий комментарий

// TODO: раскомментируйте код, выполняющий сортировку частиц

Раскомментируйте код сортировки частиц. Соберите и запустите программу. Вы увидите примерно следующее:

Иллюстрация

Однако, сортировка систем частиц не исправляет артефакты в ситуации, когда частицы из разных систем пересекаются. Данный баг можно исправить путём сбора всех частиц из всех систем в единый массив, а всех текстур частиц — в единый атлас. Способ сложен, и программировать его мы конечно же не будем. Гораздо проще избегать пересечения разных систем частиц на уровне описания сцены.

Задание cg12.2: смешивание без аддитивности

В примере смешивание цветов полупрозрачных частиц является аддитивным: этот режим включается в коде строкой glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE);.

Аддитивное смешивание хорошо подходит для имитации светящихся частиц (таких, как частицы пламени). Если мы создать систему частиц из отражающих свет объектов, мы должны использовать “стандартный” режим смешивания glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

Нужно добавить в проект поддержку систем частиц со стандартным смешиванием. Для этого:

  • добавьте в класс ParticleSystem булево свойство m_useAdditiveBlending
    • если свойство равно truey, то в методе ParticleSystem::draw должен выбираться режим glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE), иначе - режим glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA)
  • добавьте в класс ParticlesSceneLoader поддержку чтения из JSON булева свойства “useAdditiveBlending” и передачу этого свойства созданному объекту типа ParticleSstem
  • добавьте в файл scene.json к существующим системам частиц свойство useAdditiveBlending: true
  • добавьте в файл scene.json новую систему частиц, использующую
    • текстуру butterfly.png
    • свойство useAdditiveBlending: false
    • свойства объекта emitter подберите так, чтобы бабочки разлетались вверх

Запустите программу и проверьте, что система частиц, состоящая из бабочек, корректно отображается.

Задание cg12.3: добавляем солнце

Требуется добавить на сцену жёлтую сферу, которая будет располагаться в том же месте, где находится система частиц, имитирующая огонь. При правильном выборе параметров объектов на сцене это позволит создать объект, похожий на солнце:

Иллюстрация

Последовательность действий следующая.

  • Реализуйте класс SolidObject, унаследованный от SceneGraphNode
  • Добавьте в класс сцены ParticlesScene новую программу, выполняющую освещение по модели Фонга, состоящую из шейдеров “phong_lighting.frag” и “phong_lighting.vert”
  • На основе проекта Sample09 и класса ParticleSystem добавьте на сцену оранжевую сферу, которая рисуется с помощью программы phong_lighting
  • Разместите эту сферу и одну из систем частиц так, чтобы система частиц имитировала солнечную корону
    • рисование сферы должно выполняться до рисования всех систем частиц, иначе тест глубины будет выполняться неправильно, отбрасывая либо участки сферы, либо солнечную корону
  • Добавьте в класс ParticlesSceneLoader загрузку объектов класса SolidObject из JSON по образу и подобию загрузки ParticleSystem - как пример описания используйте следующий фрагмент из “scene.json”:
"solidObjects": [
        {
            "geometry": "sphere",
            "size": [2, 2, 2],
            "position": [-7, -6, 0]
        }
    ],

Задание cg12.4: отключение записи в буфер глубины

Ещё один способ избежать проблем при выводе полупрозрачных частиц - отключить запись в буфер глубины. При этом система частиц будет корректно отображаться на фоне других (непрозрачных) объектов.

Найдите в проекте следующий комментарий:

// TODO: раскомментируйте код, отключающий запись в буфер глубины

Раскомментируйте код, отключающий запись в буфер глубины. Запустите и соберите программу. Отключение записи в буфер глубины должно решить проблемы с отображением имитации солнца.

Задание cg12.5: вращение частиц

Добавьте в классы ParticleSystem, ParticleEmitter и ParticlesSceneLoader возможность вращения частиц вокруг своей оси с разной скоростью. Скорость вращения задаётся в момент испускания частицы источником

Для реализации потребуется:

  • добавить в particles.vert новый атрибут, подобный a_particle_pos, хранящий угол поворота частицы в 2D пространстве
    • при передаче атрибута в шейдер надо использовать glVertexAttribDivisor(location, 1), чтобы атрибут менялся один раз на частицу, а не один раз на вершину
  • реализовать в шейдере поворот частицы, используя правила перехода из полярной системы координат в декартову
  • добавить в класс Particle хранение и обновление поворота частицы
  • добавить в ParticleEmitter новое распределение вероятности, задающее скорость вращения, а также добавить метод для установки границ скорости вращения
  • добавить в ParticlesSceneLoader поддержку нового свойства объектов JSON, позволяющего передать в ParticleEmitter пределы скорости вращения частицы (по умолчанию [0; 0])

Добавьте в scene.json систему частиц, использующую текстуру “green-face.png” (см. каталог “res” в проекте). Частицы должны вращаться вокруг своей оси с разной скоростью.