Wind Simulation in 'God of War'(GDC2019 战神4风力场模拟)

Wind Simulation in 'God of War'(GDC2019)

战神4中的风力场模拟

这次带来的分享的主题是，圣莫妮卡工作室他们在战神4中关于GPU模拟风力场。

演讲者Rupert Renard 12年游戏行业开发经验，参与过战神4，塞尔达传说，质量效益3等大作。

0.What Wind is Used For

风在游戏中能带来什么？

通常情况线下，风可以是一个简单的正弦波，影响物体的摆动，但是为了创造一个更生动的世界，战神4写了一套完善的风力系统，可以作用的对象包括

• 粒子
• 头发
• 树叶
• 皮毛
• 声音系统
• 布料

这里的头发，树叶，皮毛，被集成在另一个系统中，子系统中处理局部空间的扰动。

风的强弱可以烘托环境氛围，营造气氛。

1.CPU Origins

CPU上流体模拟的传统方法，03年GDC上有一篇经典文章 “Real-Time Fluid Dynamics for Games”，主要是在不影响流体表现的前提线下，通过简化流体表达方程提高计算速度。

那篇论文提到了方法，计算过程主要是 通过密度（density）添加力（add force），结合流体本身的扩散（diffuse），达到流体的效果（move），解决 boundary issues（边界问题），会在bound box 外面再包一层，论文地址

但是战神他们觉得现在都9012了，为啥不用一些更先进的其他方法去尝试呢

2.Wind Tiers

风的类型和级别

三种风的类型：

• Static Wind
• Dynamic Wind
• Counter Wind

静态风：静态风是一个全局的风，均匀地应用于场景中的所有物体。它可以随着时间的推移而改变，也可以随着玩家在世界各地的移动而改变。有时会用scrolling noise texture 来做静态风。

动态风：动态风是他们的重点，作用范围是在玩家周围形成一个3D立体的空间，并随着玩家的移动而移动的。

逆风：逆风是其实是一个机制，用来模拟在风中移动的物体，是否受到风的影响。
如果一个物体的运动速度和方向与静态风或动态风大致相同，就会抵消风的作用，并给出物体不受风影响的表现。

SampleWind(object) := StaticWind + DynamicWind[object.position] - object.velocity

公式也比较好理解。

风的影响的采样公式 = 全局静态风一个vector3 + 动态风场中物体位置的风采样 - 物体的移动速度vector3

3.Dynamic Wind Details

动态风详解

用32x16x32 的三维纹理来存， 每立方米 一个纹理单位。 为了在GPU上快速方便的模拟风的计算，选择了标准的三维纹理volume，而没有使用层次化的volume。

战神的动态风场在玩家周围也足够大，能包含斧头扔出去的距离。所以他们的动态风场xz是比y大一倍的。

使用每帧5次的迭代，没有什么特别愿意，只是刚好找到了一个比较balance的值。

风的产生设计了不同类型的“发动机”，用来给风场注入速度。

战神里面的Advection 对流提供了，正向和反向的2种，他们强烈建议别图便宜只搞一种，后面会说原因。

他们尝试过用压强来模拟风场，但是他们的美术不喜欢，而且压强有个弊端，就是不能是负的。但是压强他们也做了，把压强做为一个额外的使用参数

4.Storage

每个属性都有单独的三维纹理，x的速度，y的速度，z的速度

关于三维纹理的切片方向也有讲究，他们选择的是xz轴的切片。（据说，这样做在计算的更高效，因为很多时候风的流向都是水平运动）

5.Diffusion

风的扩散。

随时间推移，某个cell会对周围的cell产生影响。可以理解成是使流体模拟达到平衡的一种机制。它被用来在相邻的cell之间传递能量。

这来的扩散就用到了 double的buffer，2个buffer交替存数据。

验证之后发现将速度属性分成三个单独的三维纹理，计算的时候尤其高效。

是因为如果不分离的话，在计算风的迭代的时候，xyz三个方向全部计算完成之后，才能进行下次的迭代。但其实这三个方向的计算，发生在不同迭代轴上，是互不影响的

看着2张图就能看出来。

先解释下VGPR。

AMD GCN 计算单元中， 一个GCN计算单元（CU），包含四个SIMDs（单指令流多数据流），每一个包含一个包含32位的VGPRs（矢量通用寄存器）的64KB寄存器文件

着色器最终处理每个线程的带宽更少，这是因为每个线程的数据更少，这意味着每个线程的VGPR更少，这意味着更好的占用潜力。
对于希望异步运行的着色器，更少的VGPRs也是非常好的选择

好处是，GPU在计算迭代的时候，更少的等待时间。

对于希望异步运行的shader，更少的VGPRs也是非常好的选择

6.Motors

风力发动机

6种不同类型的Motors

• Directional 平行风 (类似unity WindZone里的Directional)
• Omni 全向风 （类似unity里的Spherial）
• Vortex 旋涡，沿某个轴产生风
• Moving 运动发动机，锥形，可以理解成发动机在运动，产生风场是锥形扩散的
• Cylinder 圆柱的上下面可以大小不一样
• Pressure 直接就是压强

当时面临的一个挑战就是不同类型的Motor混合时候，互相作用

// 平行风，out返回float3的velocity
void ApplyMotorDirectional(in float3 cellPosWS, uniform MatorDirectional motorDirectional, in out float3 velocityWS)
{   
    // 计算cell到motor的距离
    float distanceSq = lengthSq(cellPosWS - motorDirectional.posWS);
    // 距离的平方小于motor的作用范围，加上速度
    // force = direction * strength * deltaTime
    if(distanceSq < motorDirectional.force)
        velocityWS += motorDirectional.force;
}

// 全向风，作用朝四面八方，辐射出去，存在作用半径radius
void ApplyMotorOmni(in float3 cellPosWS, uniform MotorOmni motorOmni, in out float3 velocityWS)
{
    // force = strength * deltaTime
    float3 differenceWs = cellPosWS - motorOmni.posWS;
    float distanceSq = lengthSq(differenceWs);
    // 速度受到作用半径和距离的影响
    if(distanceSq < motorOmni.radiusSq)
        velocityWS += motorOmni.force * rsqrt(distanceSq) * differenceWs
}

// 螺旋风
void ApplyMotorVortex(in float3 cellPosWS, uniform MotorVortex motorVortex, in out float3 velocityWS)
{
    // force = strength * deltaTime
    float3 differenceWs = cellPosWS - motorVortex.posWS;
    float distanceSq = lengthSq(differenceWs);
    // 速度受到作用半径和螺旋风轴向叉乘的影响
    if(distanceSq < motorVortex.radiusSq)
        velocityWS += motorVortex.force * cross(motorVortex.axis, rsqrt(distanceSq) * differenceWs)
}

和unity里的WindZone做一个简单对比，
unity中3D 在 Game Object > 3D Object > Wind Zone，提供了wind zone，但是类型较为单一，只提供了Direction和Spherical两种，差不多等价于战神里的 Directional 和 Omni。

unity主要还是用压强来实现的，暴露的参数，Main（强度）近似战神Motor类型中的force。

7.Advection

平流(或者叫水平对流)

是基于速度传递能量的过程，发生在纹理和纹理之间，可以用来传播速度属性。

通过平流 来传播速度，模拟能量的流动。

处理平流可以处理diffusion扩散一样，按轴进行分离，减少等待时间。

但是会存在一个问题，在做迭代的时候， 正向和反向的会同时对数据读写，写入数据的时候发生数据争抢。多线程的时候可能同时有不同的线程在往texel纹理中写数据。

8.Spin Compare & Exchange

交换比较

多线程运作的时候，纹理写入，因为内存可见性的原因，不是原子运算，可能最后返回的结果有偏差。

举个简单的例子开多线程 执行i++ 1000次，最后返回的结果不一定是1000，是一样的原因。

简单解释下，多线程线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。

这里用到的解决方法是多线程里面常见的CompareExchange，函数差不多是这样的
CompareExchange(Double, Double, Double)

void SpinCompareExchange(uniform RWTexture3D<float> rwTex, uniform unit3 rwTexSize, in unit3 coord, in float value)
{
    if(all(coord < rwTexSize))
    {
        float curVal = 0;
        for(;;)
        {
            float oldVal, newVal = curVal + value;
            InterlockedCompareExchange(rwTex[coord], curVal, newVal, oldVal);
            if (curVal == oldVal)
                break;
            curVal = oldVal
        }
    }
}

把目标操作数（第1参数所指向的内存中的数）与一个值（第3参数）比较，如果相等，则用另一个值（第2参数）与目标操作数（第1参数所指向的内存中的数）交换

整个操作过程是锁定内存的，其它处理器不会同时访问内存，从而实现多处理器环境下的线程互斥。

这个地方可以直接参考MSDN compareExchange函数的api

9.Atomic Add

定长操作。上一页提交浮点型在比较的时候，硬件没法对浮点型进行原子运算。所以战神换了个思路，损失一定精度，转化成定长的浮点（或者说是定点），16.16，上下都保证一定的精度。

也叫fixed-point number，定点数的计算效率是比浮点数更高的

wiki上解释是：

定点数类型的值其实就是个整数，需要额外做比例进位，进多少位需要根据具体的定点数类型决定。例如 1.23 使用 1/1000 比例的定点数表示时是 1230；1,230,000 使用 1000 比例的定点数表示也是 1230。与浮点数不同，相同类型的定点数中所有值的缩放系数都是一致的，在计算过程中也保持不变。

缩放系数通常是 10 或 2的幂，前者方便人类读写，后者易于高效计算。不过有时也会使用其它比例，例如可以用 1/3600 的比例的定点数来表示以小时为单位的时间值，可以精确到秒。

定点数的最大值，可以通过将其内部所使用的整数的最大值乘以缩放系数求得，最小值同理。

浮点数的精度是有尾数位决定的，正常单精度float，双精度double的小数位如下：

float：  
1bit（符号位） 8bits（指数位） 23bits（尾数位）
double：
1bit（符号位） 11bits（指数位） 52bits（尾数位）

他们把小数位按16位算精度，转换成int，在做原子加的操作。

// float转int要乘的宏
# define FXDPT_SIZE(1<<16)
void AtomicAdd(uniform RWTexture3D<int> rwTex, uniform unit3 twTexSize, in unit3 coord, in float value)
{
    if(all(coord < rwTexSize))
    {
        InterlockedAdd(rwTex[coord], (int)(value * FXDPT_SIZE));
    }
}

10.Scheduling

调度算法以及耗时。

风力模拟，在GPU管线上是第一次做的事，模拟差不多耗时0.1ms。

模拟的过程本身也是异步的，和渲染物体，渲染粒子，并行。

蓝色表示扩散，红色是Motor相关，橘色是正向对流初始化的一些过程，黄色开始计算正向对流，后面是反向平流，最后紫色导出，方便gpu和cpu访问。

整个过程VGPR和SGPR都很低，适合并行运算。

diffuse进行了5次，耗时43.2ms，平均一次8ms，这是因为使用了分离轴的技巧（3个轴互不影响分离计算）。这种方法，如果使用更大的Volume，性能的提高会更加明显。

后面他们觉得forward平流和reverse评论在setup的阶段，可以用buffer来记录之前的数据，空间换时间，差不多又节约了10ms左右。

他们还做了一个实验，把每个轴的size扩大一倍，等于整体体积扩大了8倍。

实验结果可以看出来，最后一列是耗时，可以看出差不多都是7,8倍的样子，说明耗时和数据量基本线性相关，只有export导出的部分耗时增多，演讲者说可能是纹理寻址的问题。

11.Timing-Full Frame

这张图展示了战神 一帧绘制各部分的耗时，其实wind的耗时所占的比重很小，上面下那是的是异步并行的耗时，

12.Debugging

战神他们团队的debug工具真是完善，

• 可视化2D的切面
• 可以用向量更改wind的属性
• 粒子发射器
• 锁定volume位置
• volume中风力的采样和显示

可视化3D volume风场和2D的风 切面是最直接有效的。可以很方便美术去布风，看效果，也方便程序去debug。图中绿色的是一个directional motor（定向风发动机）。

奎爷的斧头也是一个Moving Motor，扔出去之后也会产生风影响周围的环境。

采样方法也分了2种：一种是均匀时间间隔，在固定距离间隔的位置采样，然后绘制矢量图标，表示风力；另一种是直接用矢量图标表示风力，越密集表示风强度越大。

13.Wind Customers

因为模拟的结果，不仅仅是GPU用，CPU布料和声音的系统也会用到，CPU和GPU通信又不叫耗，战神用了一个比较能接受的方法，把速度属性xyz，存成RGB16的 double buffer texture。保证流畅性，CPU上布料和声音系统读取的是上一帧GPU返回的结果。

14.Beaufort scale

蒲福風級，Beaufort风力等级。就是几级风力等级。

可以参考wiki Beaufort风力等级

0到12的等级，0代表没有风，12代表飓风的力量。比如能听到树叶的嗦嗦的声音，差不多是风力2级，地面差不多2m/s。

小树摇摆，差不多5级风，地面9m/s。 这等于把游戏中的风和现实世界关联上了，这样更具有真实性。

15.Conclusion

• 风的模拟使游戏更加生动
• 高性能和低消耗也是可以实现的
• 正向平流和反向一定要同事使用
• 好的debug工具可以事半功倍

相比2003的方法，战神把流体风的模拟放到了GPU上，更好的发挥了硬件GPU并行计算的性能，有更高的质量。

后面就是他安利大家去听他同事Sean的 Interactive Wind and Vegetation in God of War，讲植被和风交互，会详细介绍客户端表现，包括在Vertex Shader上风是怎么影响物体的，还有双高度场的草场交互。

个人总结

最后谈一下，自己的一点点小感想。

战神他们的对风力场的创新，是相当于把原来一直CPU上做的一件事件，放到了GPU上，做到了并行高效的效果。

多线程部分，并行的一些思想，原子操作等等。

计算的时候用定点数，相比浮点数，提交运算效率

最后他们的debug工具真是完善呀，开发效率高，调试效率高。实名羡慕...

参考文献

1.Wind Simulation in God of War

2.Introduction to Fixed Point Number Representation(berkeley.cs61c)

3.Real-Time Fluid Dynamics for Games