MH:W | GPU Particle - モンスターハンター:ワールドにおけるGPU Particleの実装

slides

抜粋

方針

可読性は最重要
CPUに余裕がないので、Dispatchを少なく
GPUの並列性を阻害したくないので、アトミックをなしに

要素

エフェクトは任意の数のエミッタを持つ
エミッタは任意の数のアイテムを持つ
- 速度、寿命、座標変換、などの種類がある

構造

Emitter Table (CPU→GPU)：
- 有効なエフェクトの配列
- Emitter Headerへのインデックスを持つ
Emitter Header (CPU→GPU)：
- 間接参照のための値の配列
- EmtBinHead：Emitter Binaryへのオフセット
- PtBinHead：Particle Binaryへのオフセット
- PtIdxHead：Particle Index Listへのオフセット
- PtSize：Particle Binaryでの１要素のサイズ
Emitter Binary (CPU→GPU)：
- エミッタごとに、共通データをヘッダに持ち、その下にアイテムの配列を持つ
- 共通データは、どのアイテムが有効かのビットセット、などを持つ
Particle Header：
- Alive：パーティクルが生存中かのフラグ
- EmitterID：エミッタの番号
- Index：パーティクルの番号
- Depth：深度値
Particle Index List：
- Particle Headerへのインデックスの配列
- 生存中、消失中、未使用、の順で連続する
Particle Binary：
Emitter Range：
- エミッタごとのParticle Headerのスパンを持つ配列
- 生存と非生存の２つ分
Emitter Data：
- エミッタごとの、発生するパーティクルのParticle Headerへのスパン、生存中の数、を持つ

処理

初期化（GPU）：初回のみ一度だけ行う
- パーティクル総数を0クリアする
- Particle HeaderをInvalidにする
エフェクトの生成（CPU）：
- Emitter Tableに要素を追加して、指定のEmitter Headerの要素を確保
- Emitter Binaryの末尾に割り当てた領域をEmitter Headerに記録
- Particle Binaryの末尾に割り当てた領域をEmitter Headerに記録
エフェクトの更新（CPU）：
- エミッタを更新
  - 親の移動値の反映、など
- アイテムを更新
  - パーティクルを出す数の決定、外部パラメータの反映、タイムライン制御、など
- エミッタ用データの更新
  - Emitter Headerを介して、Emitter Binaryの指定の領域にアイテムを書き込む
エフェクトの更新（GPU）：
- Begin Update
  - パーティクルの総数を、前フレームの総数と現フレームの予定数の総和として、指定の最大数でクランプしてから書き出す
- Fill Unused Index
  - 新規のエミッタが割り当てたParticle Index Listの末尾領域をInvalidで埋める
- Spawn Particles
  - 新しく発生（spawn）するパーティクル数を決め、Particle Headerの末尾に割り当てる
  - Emitter Rangeをゼロ初期化
- Initialize Particles
  - Particle Index Listに新しく発生したパーティクルの分を追記
  - Particle Headerにデータを書き込む
  - Dispatch(エミッタ数, 1, 1)
- Update Particle
  - Particle Headerを辿って、パーティクルをアイテムに沿って動かす
  - 1スレッド、1パーティクル
  - シェーダはuber
- Bitonic Sort
  - 生存フラグ（1bit）、エミッタID（13bits）、深度値（32bits）をキーとしてParticle Headerをソートする
  - 深度値は半透明の前後関係を正しく描画するために必要
  - Bitonic Sortなのは著者都合
- Range Particles
  - Emitter Rangeを構築する
  - スレッドごとに要素2つ取り出してEmitterIDや生存フラグを比較する
  - 0スタートと1スタートで２回行う
- Terminate Particles
  - 消滅したパーティクルのParticle Index Listを無効化する
- Build Emitter Draw Args
  - 実際のパーティクル数でEmitter Dataを更新
  - Draw Indirect用引数をエミッタごとに構築
- Build Primitive
  - パーティクルから頂点データを構築する
  - 1スレッド、1パーティクル
  - ビルボードとリボンに対応

感想

CPUベースのパーティクルシステムが先に存在していたそうなので、それに合わせるかたちとなった設計もありそう
同じ処理のパーティクルが連続するようにソートするので、更新をuberシェーダにしても許容されている
条件式を定数とする分岐をコンパイラが最適化で除去する、と期待するのは十分アリ
エミッタごとの処理の起点がEmitter Tableで、パーティクルごとの処理の起点がParticle Header
Particle Headerはソートする必要があるから軽量な間接参照テーブルになっている？
最大数による事前割当やエミッタ毎＆パーティクル毎の処理などにより、アトミックを排除している？