GLSL Partikel 2

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Der klassische Ansatz eines GPU Partikelsystem verwendet eine oder mehrere Texturen um die Partikel zu speichern. Zur Aktualisierung wird ein Quad in Größe dieser Textur gerendert. Der Fragmentshader liest die alten Daten aus einem Backbuffer und schreibt die aktualisierten Partikel in den Framebuffer. Dieses Verfahren ist an sich sehr effizient, hat aber einige Nachteile:

• Es ist sehr kompliziert effizient neue Partikel von der CPU zu emittieren. Die CPU muss immer wissen wo sich aktive Partikel in der Textur befinden. Sind die Lebensdauern der Partikel unterschiedlich (oder gar zufällig) wird dies zu einem echten Problem.
• Da die Partikelanordnung wie gerade beschrieben fragmentiert, muss beim rendern der Partikel immer die vollständige Textur verarbeitet werden, auch wenn eigentlich nur wenige Partikel tatsächlich aktiv sind. Außerdem ist zum rendern ein großes VBO mit Dummy-Partikeln erforderlich, die eigentlich keine Daten enthalten.
• Sollen die Partikel zum Beispiel nach der Entfernung zur Kamera sortiert werden, ist dies sehr aufwendig. Auf der GPU verwendet man üblicherweise Odd-Even-Mergesort oder Bitonic-Sort. Beide Algorithmen vergleichen jeweils zwei Elemente und führen dann ggf. einen Tausch (Swap) dieser Elemente aus. Im Fragmentshader lässt sich jedoch die Position eines Fragments nicht mehr nachträglich ändern. Eine Implementierung im Fragmentshader erfordert also, dass jeder Vergleich zweimal durchgeführt wird. Das bedeutet auch, dass jeder Texturzugriff zweimal durchgeführt werden muss. Zudem erfordern beide Algorithmen sehr viele Passes. Für eine Million Partikel (1024²) sind so etwa 210 Passes erforderlich. Dies ist auch bei einer Verteilung über mehrere Frames nicht mehr sinnvoll in Echtzeit durchführbar.

Durch die Benutzung der Features aktueller Grafikhardware wie dem Geometryshader, Transform-Feedback, Instancing sowie diverser weiterer Features des Shader Model 4.0 lässt sich hier viel optimieren. Dieser Artikel setzt die Kenntnis dieser Funktionen voraus. Desweiteren sollte man natürlich wissen wie ein (state-preserving) Partikelsystem funktioniert, also zum Beispiel etwas mit den Begriffen Emitter und Forcefield anfangen können.

Erweiterungen

Nun wollen wir das bestehende Partikelsystem erweitern. Es sollte klar sein das die hier beschriebenen Dinge sehr viel Rechenleistung benötigen. Diese Aktionen müssen also möglicherweise über mehrere Frames verteilt werden.