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

简单变换反馈的着色器

         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")

着色器基本参数设置

 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) 

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。

 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)

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：

 particle_v = """
         #version
         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;
         }"""

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。　　

         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")

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。