GPU Gems 1 · Chapter 6. Fire in the "Vulcan" Demo

直觉引入：火焰不是每一帧都重新发明

一团真正有说服力的火焰，第一眼看见的是形状、颜色层次和烟雾的节奏，而不是每个火舌背后的物理方程。实时系统的任务，是用有限的像素预算把这些线索稳定地送到屏幕上。

如果只追求物理真实，程序化方案可能需要数千粒子；如果只追求省事，一张固定图片又会暴露重复。Vulcan 的经验是把可控的粒子运动、少量动画素材和后处理组合起来：每一层承担自己擅长的视觉工作，再用性能测量决定分辨率和混合方式。

1. 先选路线：程序化、二维流还是视频精灵

Vulcan 的目标不是蜡烛大小的火苗，而是包围角色、带烟雾、可由用户控制的猛烈火焰。完全程序化的火焰节省纹理内存，却要处理大量粒子和顶点；屏幕空间二维扰动适合小型蜡烛火焰，却容易受相机角度和前后运动限制；视频纹理把真实火焰的形状线索直接带进渲染流程。

这里的 video-textured sprite 不是偷懒的静态贴图：每个粒子仍有位置、尺寸、寿命、透明度和动画起始帧，可以通过数量、混合和运动规则重组成大规模效果。

做方案评估时，先写清三个约束：目标视角是否会绕到火焰顶部或底部、是否需要把烟雾和火焰混在一起、像素阶段最多能花多少预算。这样就不会因为“程序化”或“真实素材”这类标签，跳过实际的相机和性能条件。

2. 从发射器生成粒子，再用 z 坐标播放动画

角色模型上可以放置多个 emitter。发射器决定粒子从哪里来，也暴露尺寸、每秒密度、纹理和寿命等调参入口；粒子系统只需要根据这些参数生成自己的 quad 并提交绘制。

动画帧可以存进 volume texture。如果纹理深度是 D，第 k 帧的采样坐标可写成：

这个式子在说：把离散帧映射到体积纹理的切片中心，递增 k 就能播放动画；在相邻切片之间采样，还能获得帧间插值。

Vulcan 使用两种火焰动画和一种烟雾动画，每种 64 帧，总共 192 帧；为了满足体积纹理切片数是二的幂，最终使用 256 个切片。压缩的 256×256×256 B8G8R8A8 体积纹理约占 16 MB；低内存平台还可以缩到 64×64×256，保留帧数而降低每帧空间分辨率。

struct Particle {
  vec3 position;
  vec2 size;
  float age;
  float lifetime;
  float frameOffset;
  float variant;
};
 
float frameCoord(Particle p, float frameCount) {
  float progress = clamp(p.age / p.lifetime, 0.0, 1.0);
  return fract((progress * frameCount + p.frameOffset) / frameCount);
}

frameOffset 让同一批粒子不要在同一时刻闪出相同帧；variant 还可以选择 A 或 B 动画。这里的随机性应该是可重放的伪随机值，调试时才能复现某个粒子群的问题。

3. 用 A/B、翻转和属性差异隐藏重复

动画帧有限时，重复是最大的视觉风险。可以为粒子随机分配尺寸、位置偏移、衰减速度、起始帧和整体透明度；再把两种火焰动画按比例混合，让相邻粒子不再共享完全相同的轮廓。

Vulcan 没有依赖硬件 point sprite，而是自己生成四边形，这样可以写入自定义纹理坐标，在 u 或 v 方向翻转帧。翻转成本很低，却能把同一段素材变成更多姿态；如果资源和带宽允许，还可以进一步加入任意旋转或更多动画族。

注意不要把“每个参数都加随机”误当成真实感。随机尺寸太大，会让火焰像一组互不相干的贴纸；随机透明度太强，会让烟雾断裂。先固定种子和范围，再以源头连续性、重复周期和镜头运动作为验收指标。

4. alpha blending 保留颜色控制

开始实现时，additive blending 很诱人：粒子无需严格排序，叠加后也容易形成发光。但它会把多个颜色不断推向饱和，艺术家无法稳定控制火焰和烟雾的色调。

alpha blending 把颜色控制权交回材质，并把代价变成每帧排序几百个粒子。对 Vulcan 这种粒子数量已经由视频精灵压低的方案，排序成本可以接受；真正要测量的是排序、过度绘制和目标格式精度的总和。

vec4 composite(vec4 scene, vec4 particle, bool useAlpha) {
  if (useAlpha) {
    return mix(scene, particle, particle.a);
  }
  // additive：顺序简单，但亮度会快速饱和。
  return scene + particle * particle.a;
}

实验中的混合切换只模拟颜色和透明度的决策，不替代真实目标格式测试。A8R8G8B8 等有限精度目标尤其要关注亮部是否被截断，以及烟雾是否被火焰的累加亮度吞掉。

5. 用发射器绑定权重补齐移动拖尾

火焰源头移动时，少量粒子会暴露空洞。解决办法不是立刻把粒子数加到几千，而是引入 emitter weight。粒子刚出生时权重高，跟随角色运动；随着年龄增加，权重衰减，粒子逐渐交给上升、滚动和风等自由运动。

用一个线性示意式表达：

这个式子在说：新粒子优先补齐源头，老粒子优先形成自然的漂移；权重曲线本身可以按寿命、火焰类型和源头速度调整。

这个方法的好处是它只增加一次位置混合，却解决了移动角色上的连续性问题。流体模拟仍然可以作为未来扩展，但当粒子很少、尺寸很大时，过细的流体细节也未必能被屏幕采样出来。

6. 分层合成：先减少像素，再谈更多粒子

大型视频纹理 billboard 会消耗大量像素处理。这里的 layer composition 把火焰先画进四分之一屏幕分辨率的目标，再与场景合成。火焰源图只有 256×256，降低目标分辨率的画质损失有限，却能把混合操作数量大幅压低。

另外，方形精灵常常包含大片透明区域。离线分析每个动画帧，可以为它生成更贴合火焰轮廓的矩形，并记录一个偏移量，使矩形中心仍对应粒子位置。这样减少的是无效 texel，而不是把火焰几何粗暴删掉。

猜一猜：把发射器绑定从 0.2 调到 0.9，角色移动时拖尾会怎样？把分层分辨率降到 25% 后，最先变化的是轮廓、颜色，还是帧时间？

实验里的“分层分辨率”越低，代表像素预算越小；如果火焰看起来仍然稳定，再考虑增加烟雾层或 glow。先降采样、后加细节，通常比先堆粒子再追帧率更容易定位瓶颈。

7. 后处理：glow 与 heat shimmer 各自承担什么

实时合成把火焰放进 render target，也给了后处理一个明确入口。glow 可以把选中的画面复制出来，用 x、y 两次 box blur，再依据 alpha 把模糊亮部叠回原画面。它适合表达火焰照亮周围空间，但不应该代替火焰自身的轮廓。

heat shimmer 则可以先渲染一层 heat particles，在最终合成时读取其红、绿通道，作为场景纹理的 (u,v) 偏移。它成本可控，却受暗场对比度影响；Vulcan 最终把像素预算优先给 glow，而不是把每个写过的效果都塞进成品。

vec2 heatOffset = texture(heatTarget, uv).rg * 2.0 - 1.0;
vec4 scene = texture(sceneTarget, uv + heatOffset * 0.02);
vec4 blurred = texture(blurTarget, uv);
vec4 flames = texture(flameTarget, uv);
vec4 glow = blurred * blurred.a;
return mix(scene, flames, flames.a) + glow;

由于火焰使用低分辨率目标，深度缓冲也可能无法直接共享。一个低分辨率角色模型写入火焰目标的深度，可以作为便宜的遮挡近似；它牺牲少量顶点成本，换取大量像素节省。

小结：把素材、粒子和像素预算分开验收

• 视频纹理精灵提供形状线索，粒子系统提供位置、寿命和可控变化。
• 体积纹理用 z 坐标播放帧，A/B、翻转和属性差异隐藏有限素材的重复。
• alpha blending 保留艺术家的颜色控制；additive 只在明确接受饱和时使用。
• emitter weight 让新粒子补齐移动源头，老粒子再释放给自由运动。
• layer composition、紧致矩形和后处理共同决定火焰能否进入实时预算。