python粒子特效_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：

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：

1 tf_v = """2 #version 330

3 in floatinValue;4 out floatoutValue;5 out floatout2;6 voidmain() {7 outValue = inValue+3.0;8 out2 = 1.0;9 }"""

简单变换反馈的着色器

1 this.tfProgram =glCreateProgram()2 this.tfProgram =ShaderProgram(this.tfProgram)3 tfvshader =shaders.compileShader(tf_v,GL_VERTEX_SHADER)4 glAttachShader(this.tfProgram,tfvshader)5 LP_LP_c_char =POINTER(POINTER(c_char))6 ptrs = (c_char_p * 2)('outValue', 'out2')7 printptrs,len(ptrs)8 c_array =cast(ptrs, LP_LP_c_char)9 glTransformFeedbackVaryings(this.tfProgram, len(ptrs), c_array, GL_INTERLEAVED_ATTRIBS)10 glLinkProgram(this.tfProgram)11 this.tfProgram.invalue = glGetAttribLocation(this.tfProgram,"inValue")

着色器基本参数设置

1 classtransformFeedback(common):2 def __init__(this,pro):3 data = [1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0]4 data1 = [1.0] * 5

5 this.vbo = vbo.VBO(ny.array(data,'f'))6 this.tbo = vbo.VBO(ny.array(data1,'f'))7 glUseProgram(pro)8 pi =pro.invalue9 #this.vbo = glGenBuffers(1)

10 #glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, this.vbo)

11 #output data

12 this.tbo = glGenBuffers(1)13 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, this.tbo)14 glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 40, None, GL_STATIC_DRAW)15 #input data

16 this.vbo.bind()17 glEnableVertexAttribArray(pi)18 #in pyopengl,the glVertexAttribPointer last two params must not be 0,0

19 glVertexAttribPointer(pi,1,GL_FLOAT,False,4*1,this.vbo)20 glEnable(GL_RASTERIZER_DISCARD)21 glBindBufferBase(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, this.tbo)22 glBeginTransformFeedback(GL_POINTS)23 glDrawArrays(GL_POINTS, 0, 5)24 glEndTransformFeedback()25 glDisable(GL_RASTERIZER_DISCARD)26 glDisableVertexAttribArray(pi)27 glFlush()28

29 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, this.tbo)30 buffer = (ctypes.c_float * 10)()31 #get buffer pointer

32 point =ctypes.cast(buffer, ctypes.POINTER(ctypes.c_float))33 glGetBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 0, 10 * 4,point)34 #convert pointer to array

35 array = ny.ctypeslib.as_array(point,(10,))36 print "tf",array37

38 bf =glMapBuffer(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER,GL_READ_WRITE)39 pointv =ctypes.cast(bf, ctypes.POINTER(ctypes.c_float))40 arrayv = ny.ctypeslib.as_array(pointv,(5,))41 print "tfv",arrayv42 glUnmapBuffer(GL_ARRAY_BUFFER)

Transform Feedback基本流程

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。

1 classparticleSystem(object):2 def __init__(this,len=1):3 this.length =len4 this.cparticles = [0.0] * 7 *len5 this.nparticles = [0.0] * 7 *len6 this.index =07 this.center = 0.0,0.0

8 this.currenttime = 0.0

9 this.height = 2.0

10 this.init1()11 this.createVAO()12 definit1(this):13 #pos(x,y,z),vel(x,y,z),time

14 for i inrange(this.length):15 ind = i * 7

16 px,py,pz,tt = ind,ind + 1,ind + 2,ind + 6

17 vx,vy,vz = ind + 3,ind + 4,ind + 5

18 this.cparticles[px] = 0.0

19 this.cparticles[py] = 3.0

20 this.cparticles[pz] = random.uniform(0,5)21 this.cparticles[vx] =random.random()22 this.cparticles[vy] = 0.0

23 this.cparticles[vz] = 0.0

24 this.cparticles[tt] = random.uniform(1.0,40.0)#random.uniform(0, 3 * this.height)

25 defcreateVAO(this):26 this.currvbo = vbo.VBO(ny.array(this.cparticles,'f'))27 this.nextvbo = vbo.VBO(ny.array(this.nparticles,'f'))28 defrender(this,program):29 ind = this.index % 2

30 span = time.time() - this.currenttime if this.currenttime != 0.0 else 0.0

31 invbo,outvbo = (this.currvbo,this.nextvbo) if ind == 0 else(this.nextvbo,this.currvbo)32 #gpu compute.

33 printspan34 glUseProgram(program)35 glUniform1f(program.span, span)36 glUniform1f(program.live, 40)37 this.update(invbo,outvbo)38 glUseProgram(0)39 #draw particle.

40 glColor(0.5,0.8,0.9)41 glPointSize(3.0)42 outvbo.bind()43 glVertexPointer(3,GL_FLOAT,28,outvbo)44 glDrawArrays(GL_POINTS, 0, this.length)45 outvbo.unbind()46 this.index = this.index + 1

47 this.currenttime =time.time()48 defupdate(this,fvbo,svbo):49 #fvbo->shader(GPU)->svbo,should svbo and fvbo both bind.

50 svbo.bind()51 fvbo.bind()52 glEnableVertexAttribArray(0)53 glEnableVertexAttribArray(1)54 glEnableVertexAttribArray(2)55 glVertexAttribPointer(0,3,GL_FLOAT,False,4 * 7,fvbo)56 glVertexAttribPointer(1,3,GL_FLOAT,False,4 * 7,fvbo + 12)57 glVertexAttribPointer(2,1,GL_FLOAT,False,4 * 7,fvbo + 24)58 glEnable(GL_RASTERIZER_DISCARD)59 glBindBufferBase(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER,0,svbo)60 glBeginTransformFeedback(GL_POINTS)61 glDrawArrays(GL_POINTS, 0, this.length)62 glEndTransformFeedback()63 glDisable(GL_RASTERIZER_DISCARD)64 glDisableVertexAttribArray(0)65 glDisableVertexAttribArray(1)66 glDisableVertexAttribArray(2)67 fvbo.unbind()68 #query gpu data is chage?

69 #svbo.bind()

70 #bf = glMapBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,GL_READ_WRITE)

71 #pointv = ctypes.cast(bf, ctypes.POINTER(ctypes.c_float))

72 #arrayv = ny.ctypeslib.as_array(pointv,(70,))

73 #print "tfv",arrayv

74 #glUnmapBuffer(GL_ARRAY_BUFFER)

粒子系统乒乓

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：

1 particle_v = """2 #version 330

3 invec3 pos;4 invec3 vel;5 in floattime;6 uniform floatspan;7 uniform vec2 planeSacle;8 uniform sampler2D plane;9 uniform vec3 sphere;10 uniform floatlive;11 outvec3 outpos;12 outvec3 outvel;13 out floatouttime;14 voidmain() {15 outpos = pos + vel*span;16 vec2 uv = vec2(pos.xz/planeSacle + vec2(0.5,0.5));17 uv.y = 1.0 -uv.y;18 float hight =texture2D(plane, uv).r;19 vec3 tvel =vel;20 //sphere collision

21 float radius =sphere.y;22 vec3 sphereh = sphere + vec3(0.0,hight,0.0);23 if(distance(outpos,sphereh) <=radius)24 {25 tvel = reflect(vel,normalize(outpos-sphereh))/2.0;26 }27 tvel = tvel + vec3(0.0,-0.5,0.0)*span;28

29 //ground collision

30 if(hight >outpos.y)31 {32 outpos.y =hight;33 tvel = vec3(max(vel.x-span*1.1,0.0),0.0,max(vel.z - span*1.1,0.0));34 }35 //update particle live

36 outtime = time +span;37 if(outtime>=live)38 {39 outpos = vec3(0.0,3.0,hight*5.0);40 outtime = 0.0;41 tvel = vec3(hight,0.0,0.0);42 }43 outvel =tvel;44 }"""

粒子系统着色器代码

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。

1 this.particleProgram =glCreateProgram()2 this.particleProgram =ShaderProgram(this.particleProgram)3 particleshader =shaders.compileShader(particle_v,GL_VERTEX_SHADER)4 glAttachShader(this.particleProgram,particleshader)5 LP_LP_c_char =POINTER(POINTER(c_char))6 ptrs = (c_char_p * 3)('outpos', 'outvel','outtime')7 c_array =cast(ptrs, LP_LP_c_char)8 glTransformFeedbackVaryings(this.particleProgram, len(ptrs), c_array, GL_INTERLEAVED_ATTRIBS)9 glLinkProgram(this.particleProgram)10 this.particleProgram.pos = glGetAttribLocation(this.particleProgram,"pos")11 this.particleProgram.vel = glGetAttribLocation(this.particleProgram,"vel")12 this.particleProgram.time = glGetAttribLocation(this.particleProgram,"time")13 this.particleProgram.span = glGetUniformLocation(this.particleProgram,"span")14 this.particleProgram.live = glGetUniformLocation(this.particleProgram,"live")15 this.particleProgram.plane = glGetUniformLocation(this.particleProgram,"plane")16 this.particleProgram.planeSacle = glGetUniformLocation(this.particleProgram,"planeSacle")17 this.particleProgram.sphere = glGetUniformLocation(this.particleProgram,"sphere")

粒子系统参数设置

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。