GPU Gems 3 · Chapter 23. High-Speed, Off-Screen Particles

先问：为什么一团烟会拖垮整帧

想象一团几乎填满画面的烟雾。它看起来柔软、没有清晰轮廓，但画面上的每一层半透明形状都要被读取、混合和写回。即使这些形状本身很简单，重复覆盖同一片屏幕也会把时间耗在“同一个小格被算很多次”上。

本章解决的是：把这类柔软画面先画到一个更小的临时画布，再放回主画面。没有这条路径，粒子数量一多，帧率会随覆盖区域突然下降；只把画布缩小，又会让岩石般的锐利细节变成块状和闪烁。

1. 让低频粒子先在小画布上完成大部分工作

粒子常用来表示烟、雾、火焰和爆炸。这些画面的颜色与透明度变化通常比较缓慢，没有大量细小锐边，属于低频内容。因此，用主画面的一部分分辨率采样，视觉上仍然可以保持柔和，只需在最后做一次放大和合成。

缩放比例不是固定规则。应用可以根据速度与质量目标选择 1、2、4、8 等比例，也可以使用非幂次比例。比例越激进，粒子片元和混合越少，但越容易丢掉高频轮廓；飞石、碎片等锐利粒子不适合直接套用同一策略。

2. 先识别 overdraw，再决定是否值得缩小

粒子系统的顶点数量可能只有几百个，但每个半透明四边形都会参与像素着色与混合。相机正对爆炸或烟柱时，一个粒子甚至可以覆盖整个屏幕，最终成本取决于被处理的粒子像素数量，而不是 draw call 看起来有多短。

因此先问“粒子是不是低频、是不是覆盖了大片屏幕”。如果粒子很小，离屏目标的额外缩放、放大、边缘检测反而可能比原始绘制更贵；如果粒子填满屏幕，降低粒子像素通常能把最坏情况的帧率拉回可控范围。

3. 用匹配尺寸的深度目标保留遮挡关系

离屏粒子不能只画在一个透明黑底上，否则它会穿过墙、角色或武器。完整流程是：先正常绘制实体场景并写主 z buffer；把 z buffer 缩小到离屏目标的大小；粒子绘制时在像素阶段读取对应的小深度；最后才把粒子目标放大合成。

下采样深度时取每个区域的最大深度，可以减少粒子贴着实体边缘时产生的 halo。它不是完美的几何重建，却是一个保守、适合 GPU 纹理读取的近似。深度目标尺寸必须和颜色目标匹配，否则颜色和遮挡会沿不同的网格采样，出现错位边缘。

4. 用 soft particles 把硬切换变成渐隐

最简单的深度测试是：粒子比场景更远就丢弃，否则保留。这会在粒子平面和实体表面相交处留下硬边。soft particles 不再只做二值判断，而是把两者的深度差送入缩放和 saturate，得到从零到一的 alpha 权重。

这只是离屏管线的副作用增强，不会解决分辨率不足造成的块状问题。它解决的是“相交处太硬”，而边缘检测解决的是“低分辨率无法表达尖锐轮廓”，两者针对不同的伪影来源。

5. 用 Sobel 找出低分辨率无法表达的边缘

把画面全部恢复到全分辨率会失去离屏渲染的意义。更省的方式是在小目标的颜色和 alpha 上做 Sobel filter，找出变化突然的地方。大多数柔软内部区域没有明显边缘，可以继续使用放大后的结果；只有少量边缘区域需要更精细的粒子重绘。

边缘检测结果写成 mask。合成离屏粒子时，同时把 mask 写到 stencil buffer；下一次全分辨率粒子绘制只在 stencil 允许的位置执行。pixel shader 可以通过 discard 避免为非边缘像素写入 stencil，从而把全分辨率工作限制在少数区域。

6. mixed-resolution 在速度和细节之间分配预算

mixed-resolution rendering 不是简单的“低分辨率加一个滤镜”。它把粒子工作拆成两类：主体低频部分尽量缩小，边缘和局部高频部分用全分辨率重建。额外的 edge detection、stencil 和合成也在低分辨率完成，因此复杂度增加不一定意味着成本大幅增加。

它仍然有边界：如果粒子系统在屏幕上只占很小区域，低分辨率处理的固定开销可能超过节省的粒子像素；如果粒子包含很多锐利碎片，低分辨率目标在采样时已经丢掉的信息无法完全找回。选择方案时要同时看屏幕覆盖、频率和可接受的伪影。

7. 把深度、粒子和修边串成可调的渲染循环

float4 ParticlePS(ParticleIn input) {
  float sceneDepth = depthSampler.Sample(linearSampler, input.screenUV).r;
  float zFade = saturate(scale * (input.depth - sceneDepth));
  float4 particle = shadeParticle(input);
  particle.a *= zFade;
  return particle;
}
 
// Low-resolution target is upsampled and composited first.
// A Sobel mask then enables a full-resolution particle pass.

代码只展示 pixel shader 的深度侧：离屏目标负责降低粒子片元数量，downsampled depth buffer 负责遮挡，soft particles 负责交界渐隐。mixed-resolution 的全分辨率补画由 stencil mask 决定，而不是让每个像素都重新执行。

本章小结

• 大面积低频粒子适合先绘制到较小的离屏目标
• downsampled depth buffer 让离屏粒子仍能正确遮挡
• soft particles 用深度差消除交界硬边
• Sobel 与 stencil 只修复低分辨率暴露的少数边缘
• mixed-resolution 要同时权衡屏幕覆盖、频率和固定处理成本