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Usando sistemas de partículas baseados em GPU
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Otimizando a renderização de partículas
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Usando folhas de sprite e atlas
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Implementando sombreadores personalizados
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Aplicação da física e colisões
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Sistemas de partículas e efeitos especiais são essenciais para criar jogos imersivos e realistas. Eles podem simular fenômenos naturais, como fogo, fumaça, água e explosões, ou adicionar talento visual, como faíscas, trilhas e magia. No entanto, criá-los e renderizá-los em tempo real pode ser um desafio, pois eles geralmente exigem muitos recursos de computação e memória. Neste artigo, você aprenderá algumas das técnicas mais eficazes para criar sistemas de partículas e efeitos especiais em tempo real, como:
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- Jesus Angarita XR Developer/VFX at Somnium Space
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- Husnain Sohail Sidhu Software Engineer | Game Developer | Unity | C#
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- Wahab Ahmad CEO | Serial Entrepreneur | Blockchain Advisor | | Game Developer | Web3 Gaming | P2E Games | Unreal Engine | Roblox |…
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1 Usando sistemas de partículas baseados em GPU
Sistemas de partículas baseados em GPU usam a unidade de processamento gráfico (GPU) para realizar cálculos e renderização de partículas, em vez da unidade central de processamento (CPU). Isso pode melhorar o desempenho e a escalabilidade, já que a GPU pode lidar com milhares ou milhões de partículas em paralelo. Os sistemas de partículas baseados em GPU também podem aproveitar os recursos das APIs gráficas modernas, como sombreadores, instancing e sombreadores de computação, para criar efeitos mais complexos e dinâmicos. Por exemplo, você pode usar sombreadores de computação para atualizar a posição, a velocidade e a cor das partículas com base em lógica personalizada ou entradas externas, como física, colisões ou áudio.
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- Jesus Angarita XR Developer/VFX at Somnium Space
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You need to think first about your goals, and the limitations of the system that u want to use, GPU based particle systems are amazing on performance and when the CPU ones can handle thousands of polygons (without breaking the performance) these ones can handle millions, but, there is a downside, most of pipelines did not connect GPU process with CPU process, so, what it normally happens is that the CPU prepares all the needed info and sends that to the GPU, and the GPU do the drawings, but there is no feedback on the CPU side, because of that you can not calculate Collisions with the GPU-only particles, you can fake it with the info on the depth buffer, but is super limited, and you can not, for example, spawn an object on that position
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- Husnain Sohail Sidhu Software Engineer | Game Developer | Unity | C#
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GPU-based particle systems are highly effective for creating real-time particle effects. They leverage the parallel processing power of the GPU to efficiently simulate and render large numbers of particles with complex behaviors, resulting in smoother and more realistic effects, making them ideal for games and simulations.
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- Syed Muhammad Ali Shah Unity Game Developer
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Creating real-time particle systems and effects demands efficient techniques. GPU acceleration ensures smooth rendering, while texture-based effects and custom shaders add depth. Optimization via LOD systems, culling, and batching maintains performance. Dynamic parameters and interactions enhance interactivity. Pre-computing certain effects aids responsiveness. Particle texturing enriches visuals, and feedback loops add dynamism. These strategies enable immersive experiences in real-time.
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- Jeremy Lee Managing Director at Strides Interactive Game Studio Pte Ltd
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I'm using my own engine here so not everything applies.1) GPU-based particles depend highly on how much work (ie, calculation) is done in the shader or whether CUDA cores are used or not.2) Collision and physics shouldn't be involved by default. Of course basic things like movement is part of it.3) Particles traditionally uses dynamic buffers - which means there'll always be some CPU used on top of GPU bus since there'll be a need to always transfer buffer data over.4) Using sprite sheets is the way. Using a BIG texture is recommended. Reduce texture switching and keeps that texture in VRAM.5) Particles can reflect light as well; thus having diffuse, normal and emissive maps isn't abnormal.6) Shaders play an important part obviously.
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2 Otimizando a renderização de partículas
A renderização de partículas pode ser otimizada usando técnicas como lote, classificação, descarte e LOD. Batching significa agrupar partículas com o mesmo material e textura em uma única chamada de desenho, o que reduz a sobrecarga de alternar entre diferentes estados. Classificar significa organizar as partículas em uma ordem específica, como de trás para frente ou da frente para trás, dependendo do modo de mistura e da transparência. Isso pode melhorar a qualidade visual e evitar artefatos, como sobreposição ou cintilação. Eliminar significa descartar partículas que não são visíveis para a câmera ou as fontes de luz, o que economiza tempo de renderização e largura de banda. LOD significa nível de detalhe, o que significa ajustar a qualidade e a quantidade de partículas com base na distância da câmera ou no tamanho da tela. Isso pode melhorar o desempenho e evitar aliasing ou pixelização.
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Particle rendering can be optimized by using techniques such as batching, sorting, culling, and LOD. Batching means grouping particles with the same material and texture into a single draw call, which reduces the overhead of switching between different states. Sorting means arranging particles in a specific order, such as back-to-front or front-to-back, depending on the blending mode and transparency.
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Optimizing particle rendering through batching, sorting, culling, and LOD is key to efficient graphics performance. Advanced techniques like GPU instancing can further enhance batching efficiency by rendering multiple instances of the same geometry in a single draw call. Additionally, implementing adaptive particle systems that dynamically adjust emission rates and particle complexity based on performance metrics can ensure smooth gameplay even under heavy load. Using spatial data structures like octrees for culling can rapidly exclude non-visible particles, optimizing rendering paths. Incorporating these strategies ensures a visually rich experience without compromising frame rates crucial for maintaining immersive gameplay environments.
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3 Usando folhas de sprite e atlas
Folhas de sprite e atlas são técnicas para empacotar várias imagens em uma única textura, o que pode reduzir o número de chamadas de desenho e interruptores de textura. As folhas de sprite são normalmente usadas para partículas animadas, como chamas ou faíscas, onde cada quadro da animação é armazenado em uma região diferente da textura. Atlas são normalmente usados para partículas estáticas, como fumaça ou poeira, onde diferentes variações do mesmo efeito são armazenadas em uma única textura. Usando folhas de sprite e atlas, você pode criar efeitos diversos e dinâmicos com menos recursos e tempos de carregamento mais rápidos.
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4 Implementando sombreadores personalizados
Os sombreadores personalizados são programas que são executados na GPU e controlam como as partículas são renderizadas na tela. Eles podem manipular a cor, opacidade, tamanho, rotação e distorção das partículas, bem como aplicar efeitos de iluminação, mistura e pós-processamento. Ao implementar sombreadores personalizados, você pode criar efeitos exclusivos e estilizados que correspondem ao tema e ao humor do seu jogo. Por exemplo, você pode usar sombreadores personalizados para criar efeitos de brilho, floração, distorção ou desfoque de movimento para suas partículas.
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5 Aplicação da física e colisões
Física e colisões são técnicas para fazer suas partículas interagirem com o ambiente e outros objetos em seu jogo. Eles podem adicionar realismo e feedback aos seus efeitos, bem como criar uma jogabilidade emergente e dinâmica. Física e colisões podem ser implementadas usando bibliotecas internas ou externas, como PhysX, Bullet ou Box2D, ou usando lógica e algoritmos personalizados. Por exemplo, você pode usar física e colisões para fazer suas partículas quicarem, explodirem ou grudarem em superfícies, ou para criar efeitos de vento, gravidade ou turbulência para suas partículas.
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Integrating physics and collisions into particle systems elevates game realism and interactivity. Utilizing libraries like PhysX, Bullet, or Box2D simplifies this integration, allowing particles to mimic real-world behaviors such as bouncing, exploding, or adhering to surfaces. Custom algorithms can further tailor these interactions for unique gameplay dynamics, such as simulating environmental effects like wind or gravity. This approach not only enhances visual fidelity but also introduces dynamic gameplay elements, creating a more immersive and responsive gaming experience. Balancing computational efficiency with these complex interactions is key to maintaining game performance.
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For creating impactful particle systems and special effects in real-time, blending GPU-accelerated simulations with shader effects enhances performance and visual depth. Incorporating physics-based elements and fluid dynamics can add realism. Efficient use of textures and optimized particle meshes reduce computational load. Layering and blending techniques, combined with lighting and shadow integration, enrich the visual experience. Always consider the balance between aesthetic appeal and system performance to maintain immersive gameplay without compromising frame rates. Experimentation and iteration based on feedback are key to achieving the best results.
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