CPU粒子系统 - 火焰与烟雾模拟

粒子系统是游戏引擎和实时渲染的核心技术之一。今天从零实现一个完整的 CPU 粒子系统，模拟真实的火焰、烟雾和飞散火星效果。

效果预览

火焰稳定状态（3秒预热后）

火焰效果

时序演变（四帧对比）

时序演变

从左到右：粒子系统从少到多，逐渐形成稳定火焰形态

项目目标

实现一个功能完整的 CPU 粒子系统，具有：

  • 三种粒子类型：火焰、烟雾、火星
  • 物理模拟：浮力、重力、湍流、阻尼
  • 软粒子渲染：高斯衰减 + 加法/Alpha 混合
  • 颜色生命周期：从热核心到消散的完整颜色渐变

系统架构

粒子结构

每个粒子持有以下状态：

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struct Particle {
    Vec2 pos;        // 位置
    Vec2 vel;        // 速度
    float life;      // 当前生命值 [0,1]
    float maxLife;   // 生命持续时间（秒）
    float size;      // 当前大小（像素）
    float maxSize;   // 最大尺寸
    float turbSeed;  // 湍流种子（保证每个粒子的湍流独立）
    ParticleType type; // FIRE / SMOKE / EMBER
    bool alive;
    float age;       // 当前年龄
};

三类粒子的差异

属性 火焰 FIRE 烟雾 SMOKE 火星 EMBER
混合模式 加法 Alpha 加法
浮力 强（正比于 life） 弱 无
重力 无 无 有
寿命 1.5-3 秒 3-5 秒 1-3 秒
大小变化 先增后减（sin 曲线） 持续增大 不变

核心技术

1. 颜色生命周期渐变

火焰的颜色随生命值（life: 1→0）变化，模拟真实火焰从热核心到消散的过程：

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life=1.0 → 蓝白 (1.0, 1.0, 1.0)    ← 刚出生（最热）
life=0.85 → 黄白 (1.0, 0.95, 0.6)
life=0.65 → 橙色 (1.0, 0.55, 0.1)
life=0.40 → 橙红 (0.8, 0.15, 0.02)
life=0.15 → 暗红 (0.3, 0.0, 0.0)
life=0.0  → 消失 (0.0, 0.0, 0.0)   ← 死亡
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Color getFireColor(float life) {
    if (life > 0.85f) {
        return lerpColor(
            Color(1.0f, 0.95f, 0.6f, 0.9f),   // 黄白
            Color(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f),     // 蓝白热核
            (life - 0.85f) / 0.15f
        );
    }
    // ... 其他区间
}

2. 软粒子渲染（高斯衰减）

避免粒子边缘的硬切割，使用高斯函数产生平滑的边缘衰减：

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float t = dist / radius;
float falloff = std::exp(-t * t * 3.0f);  // 高斯衰减
float alpha = color.a * falloff;
  • t=0（中心）：falloff = 1.0（最亮）
  • t=0.5（半径）：falloff ≈ 0.47
  • t=1.0（边缘）：falloff ≈ 0.05（几乎透明）

3. 加法混合（火焰叠加）

多个粒子叠加时，亮度相加而不是覆盖，自然形成明亮的火焰核心：

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if (additive) {
    // 颜色直接叠加，自然产生亮核心
    nr = std::min(1.0f, sr + color.r * alpha);
    ng = std::min(1.0f, sg + color.g * alpha);
    nb = std::min(1.0f, sb + color.b * alpha);
}

这是为什么很多粒子重叠区域会变得极亮（接近白色），就像真实火焰核心一样。

4. 湍流噪声

使用简单的哈希噪声制造自然的湍流效果，让火焰自然摇曳：

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// 哈希噪声 [-1, 1]
float hash2(float x, float y) {
    float n = std::sin(x * 127.1f + y * 311.7f) * 43758.5453f;
    return n - std::floor(n);
}

// 施加湍流力
float tx = noise2(p.pos.x * 0.01f + p.turbSeed, 
                  p.pos.y * 0.01f + time * 0.5f);
Vec2 turbForce(tx * 30.0f, ty * 15.0f);

关键：每个粒子有独立的 turbSeed，使得同一位置的不同粒子受到不同的湍流影响，避免整体同步摇摆。

5. 粒子大小的生命周期变化

火焰粒子的大小使用 sin 曲线，模拟”先膨胀后缩小”的效果：

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// life 从 1→0，sin(π×life) 在 life=0.5 时最大
float lifeFactor = std::sin(p.life * 3.14159f);
p.size = 3.0f + lifeFactor * p.maxSize;

物理模拟细节

力的组合

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case ParticleType::FIRE: {
    Vec2 buoyancy(0, -40.0f * p.life);         // 浮力（正比于温度/生命）
    Vec2 wind(sin(time*1.5f + ...) * 10.0f, 0); // 周期性风力
    p.vel += (buoyancy + turbForce + wind) * dt;
    p.vel = p.vel * 0.97f;                       // 阻尼
    break;
}

case ParticleType::EMBER: {
    Vec2 gravity(0, 80.0f);                     // 重力（向下）
    p.vel += (gravity + turbForce * 2.0f) * dt; // 强湍流+重力
    break;
}

分层渲染策略

按 SMOKE → FIRE → EMBER 顺序渲染：

  1. 烟雾：在最底层，Alpha 混合
  2. 火焰：覆盖在烟雾之上，加法混合发光
  3. 火星：在最顶层，加法混合，最小但最亮

量化验证结果

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高亮像素（亮度>200）: 23,604 个 ✅
非黑像素占比: 11.2% (>3% 阈值) ✅
火焰区域 R > B（橙红色调正确） ✅
时序帧亮度递增: 26.8 → 36.5 → 38.0 → 41.4 ✅
发射器区域最大亮度: 255 ✅

性能表现

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粒子总数（稳定后）: 202
  火焰粒子: 139
  烟雾粒子: 53
  火星粒子: 10
预热帧数: 179 帧（3秒 × 60fps）
总运行时间: 0.10秒 ✅

仅 0.1 秒完成 3 秒的模拟 + 渲染，CPU 粒子系统在不需要实时性时非常高效。

经验总结

  1. 加法混合是火焰渲染的核心：不需要复杂的体积渲染，简单的粒子加法叠加就能产生令人信服的发光效果
  2. 独立的湍流种子很重要：如果所有粒子共享同一湍流相位，火焰会整体同步摆动，看起来很假
  3. 分层渲染：先渲染低层的 Alpha 混合烟雾，再渲染加法混合的火焰，视觉效果正确
  4. 高斯衰减软边界：粒子边缘的平滑过渡是”软粒子”外观的关键，没有它粒子看起来像圆饼干
  5. 噪声的时间维度：noise(x, y, time) 让湍流随时间变化，产生流动感

下一步扩展

  • GPU 粒子系统：使用 Compute Shader 将模拟移至 GPU，支持百万级粒子
  • 3D 粒子：当前是 2D 投影，可以扩展为真正的 3D 空间粒子
  • 碰撞响应：粒子与场景几何体的碰撞和反弹
  • 粒子图集：使用精灵图（Sprite Sheet）替代程序化圆形，更丰富的视觉效果

代码仓库

GitHub: daily-coding-practice/2026/03/03-04-Particle-System-Fire-Smoke

完成时间: 2026-03-04 05:32
迭代次数: 1次（一次编译通过）
代码行数: ~600行 C++
编译器: g++ (C++17, -O2)