Thiết Kế Hệ Thống Hạt (Particle System)
Gần đây, khi cần tích hợp một module hiệu ứng đặc biệt vào engine 3D của chúng tôi, tôi đã đọc một bài viết rất giá trị có tiêu đề “Efficient CPU Particle Systems”. Tác giả bài viết này từng thiết kế hệ thống hạt cho hàng loạt tựa game MMO/MOBA nổi tiếng, tiêu biểu là Elder Scrolls Online. Những kinh nghiệm thực tiễn từ bài viết này mang lại nhiều góc nhìn đáng quý cho công việc hiện tại của tôi.
Bài viết có độ dài ấn tượng, kết hợp trình bày ý tưởng thiết kế, kỹ thuật tối ưu hóa, thuật toán và phương pháp render. Với background từng xây dựng nhiều phiên bản hệ thống hạt khác nhau, tôi đọc khá dễ dàng mà không cần dừng lại ở nhiều chi tiết. Hôm nay, tôi muốn chia sẻ những điểm then chốt đã thôi thúc tôi thay đổi định hướng thiết kế.
CPU hay GPU?
Câu hỏi đầu tiên cần trả lời là nên chọn kiến trúc CPU hay GPU? Quan điểm của tác giả rất cân bằng: mỗi lựa chọn đều có ưu nhược riêng. Nếu xét về hiệu năng đơn thuần, GPU chưa hẳn là lựa chọn tối ưu - đặc biệt trong các hệ thống MMO với số lượng emitter khổng lồ nhưng mỗi emitter chỉ phát vài chục hạt. Trong trường hợp này, ưu thế của GPU gần như không đáng kể.
Với nền tảng di động, việc phân bổ tải tính toán giữa CPU và GPU là bài toán cân bằng tinh tế giữa hiệu năng và tiêu thụ năng lượng. Hệ thống hạt sử dụng GPU mang lại một chút phức tạp trong phát triển, nhưng không quá đáng ngại (thư viện bgfx đã có ví dụ minh họa cụ thể). Ngược lại, sự linh hoạt của CPU lại tạo điều kiện lý tưởng cho nhiều cải tiến. Đặc biệt, lõi tính toán trọng yếu của hệ thống hạt là ứng dụng lý tưởng cho xử lý song song đa luồng, có thể điều chỉnh quy mô tính toán theo yêu cầu - giúp chúng ta không cần quá lo lắng về giới hạn hiệu năng.
Về tương tác với môi trường 3D
Có một số hiệu ứng đặc biệt (như phản ứng hóa học giữa hạt và vật thể trong cảnh quan) thích hợp với tính toán GPU hơn. Tuy nhiên, trong phần lớn trường hợp, chúng ta có thể tìm được giải pháp thay thế hiệu quả. Điều này khiến tôi hoàn toàn đồng tình với định hướng của tác giả: ưu tiên phát triển hệ thống hạt dựa trên CPU trước.
Quản lý bộ nhớ: nền tảng của hiệu năng
Phần bài viết dành nhiều trang giấy cho quản lý bộ nhớ, nhưng thực ra đây là chủ đề quen thuộc với các engine thương mại. Việc sử dụng vùng nhớ cố định để quản lý số lượng hạt/emitter tối đa mang lại 3 lợi ích rõ rệt:
- Hiệu quả bộ nhớ cache: Với thiết kế tối ưu, hệ thống hạt CPU có thể tăng gấp đôi hiệu năng ngay cả khi thuật toán không thay đổi
- Giới hạn vật lý rõ ràng: Tránh tràn bộ nhớ do thiết kế hiệu ứng sai lầm. Tệ nhất cũng chỉ là hiệu ứng không hoạt động nhưng không ảnh hưởng phần còn lại
- Dễ bảo trì: Các cấu trúc dữ liệu tĩnh giúp dễ debug và tối ưu hóa hơn
Tác giả cung cấp nhiều đoạn mã cụ thể, nhưng tôi cho rằng có thể cải thiện thêm bằng cách loại bỏ các mảng động - nhất là trong quản lý thời gian. Chúng ta nên thiết kế các template cố định có thể tái sử dụng, vì phần lớn dữ liệu chỉ cần thay đổi ở giai đoạn thiết kế, không cần động ở runtime.
Kiến trúc đa tầng: tách biệt logic và render
Bài viết chia hệ thống hạt thành 2 tầng rõ rệt:
- Tầng cơ bản: Dùng các emitter đơn giản phát hạt hình chữ nhật để tạo hiệu ứng lửa, khói, mưa, bụi, tuyết… Đây là ưu tiên phát triển của chúng tôi
- Tầng chuyên dụng: Dành cho hiệu ứng phức tạp cần xây dựng mesh động (tia năng lượng, vết sáng kiếm, sấm sét, thời tiết nâng cao…). Những hiệu ứng này đòi hỏi lập trình riêng biệt
Tôi quyết định tách biệt hoàn toàn các thành phần xử lý đa luồng và render ra khỏi module hạt, chỉ giữ lại phần tính toán thuần túy. Điều này giúp hệ thống vừa linh hoạt hơn, vừa dễ tích hợp vào các engine khác nhau.
Nguyên tắc thiết kế “phản trực giác”
Từ kinh nghiệm thiết kế hệ thống hạt đầu tiên, tôi học được bài học về “quá thiết kế”. Việc tạo emitter phát ra các emitter khác, dù nghe hay về mặt lý thuyết, thực tế lại gây phức tạp không cần thiết. Một hệ thống đơn giản với thuật toán cơ bản cũng có thể tạo ra hiệu ứng phong phú nếu có đủ tham số điều chỉnh.
AnimatedValue - Chìa khóa cho hiệu ứng sống động
Một sáng kiến quan trọng trong bài viết là cấu trúc dữ liệu AnimatedValue. Thay vì chỉ cung cấp StartColor/EndColor như nhiều engine hiện nay, AnimatedValue cho phép thiết kế các đường cong với số lượng điểm keyframe không giới hạn. Điều này giúp nghệ sĩ kiểm soát chính xác biến đổi của mọi tham số theo thời gian.
Thiết kế cho nghệ sĩ: Nguyên tắc “cho nhiều hơn là đủ”
Kinh nghiệm làm việc với các特效设计师 (VFX artist) cho tôi bài học quý giá:
- Họ luôn tận dụng triệt để mọi tham số có sẵn
- Các hiệu ứng “ngẫu hứng” thường xuất phát từ sự kết hợp bất ngờ giữa các tham số
- Không ai có thể dự đoán trước hiệu ứng đẹp sẽ đến từ đâu
Vì vậy, nguyên tắc thiết kế của tôi là: “Càng nhiều tùy chọn điều chỉnh càng tốt”. Chúng tôi không cần đoán trước nhu cầu, chỉ cần cung cấp cơ chế để nghệ sĩ tự do khám phá.
Kiến trúc dữ liệu: Tách biệt template và instance
Tác giả bài viết đưa ra cấu trúc dữ liệu ParticleEmitter toàn diện, nhưng tôi có một điểm muốn điều chỉnh: Cần tách biệt rõ ràng giữa dữ liệu mẫu (template) chung cho nhiều emitter và dữ liệu trạng thái (state) riêng của từng instance. Ví dụ: 10 ngọn đuốc giống nhau trong cảnh quan nên chia sẻ cùng một template, chỉ cần lưu trữ dữ liệu biến đổi riêng biệt.
Giao diện biên tập: Ngôn ngữ của nghệ sĩ
Dù về mặt kỹ thuật, giao diện dạng bảng và dạng node graph đều thực hiện cùng chức năng, nhưng nghệ sĩ thường thiên về lựa chọn trực quan. Tôi sẽ tập trung xây dựng công cụ trực quan hóa quá trình vận hành hạt, giúp họ hình dung rõ ràng hơn mối quan hệ giữa các tham số.
Kết luận
Bài viết của tác giả không chỉ là hướng dẫn kỹ thuật, mà còn là kim chỉ nam cho tư duy thiết kế hệ thống. Với định hướng ưu tiên CPU, quản lý bộ nhớ chặt chẽ, thiết kế hướng mở và giao diện thân thiện với nghệ sĩ, tôi tin tưởng sẽ xây dựng được hệ thống hạt vừa mạnh mẽ vừa dễ sử dụng cho engine của chúng tôi.