粒子系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)研究

摘要:總結(jié)分析了影響粒子系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要因素，歸納并提出了優(yōu)化方法，具體包括:為了提高繪制效率，可采用顯示列表#65380;公告板技術(shù)#65380;幾何形體優(yōu)化#65380;多級(jí)粒子系統(tǒng);為減少計(jì)算復(fù)雜性，采用碰撞檢測(cè)與處理優(yōu)化#65380;存儲(chǔ)方式優(yōu)化#65380;運(yùn)動(dòng)過(guò)程優(yōu)化#65380;線性表#65380;局部力場(chǎng);為了減少粒子數(shù)量，采用結(jié)構(gòu)化粒子#65380;LOD技術(shù)#65380;偽粒子系統(tǒng)等。最后將上述部分方法應(yīng)用于基于粒子系統(tǒng)的土壤可視化。結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)單#65380;實(shí)用，優(yōu)化后速度平均有60.2%的改進(jìn)。

關(guān)鍵詞:粒子系統(tǒng); 可視化; 優(yōu)化; 土壤可視化

中圖分類號(hào):TP391.72文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001－3695(2008)02－0495－03

煙火#65380;云霧#65380;瀑布#65380;植物和土壤等自然景物的可視化是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中極具挑戰(zhàn)性的研究課題，傳統(tǒng)的造型方法很難比較真實(shí)地描述它們的形狀和特征。1983年Reeves提出了粒子系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙#65380;火#65380;云等不規(guī)則物體的模擬[1]。隨后，粒子系統(tǒng)不斷得到改進(jìn)和完善，并被廣泛應(yīng)用于花#65380;草#65380;樹(shù)#65380;瀑布#65380;閃電#65380;浪花等自然景物和動(dòng)物群體運(yùn)動(dòng)的模擬[2，3]。1990年S.Karl提出粒子系統(tǒng)的并行繪制算法[4]，完成影片Particle Dream;文獻(xiàn)[5]提出節(jié)日焰火粒子系統(tǒng)繪制算法，用粒子衍生表現(xiàn)焰火粒子軌跡并實(shí)現(xiàn)多種焰火特殊效果;1998年M.Unbeschiden和A.Trembilski運(yùn)用粒子系統(tǒng)，從云的物理原理出發(fā)，結(jié)合紋理映射技術(shù)建立了云的模型[6]。粒子系統(tǒng)適用于不規(guī)則物體的可視化仿真，但也存在實(shí)時(shí)性不好，不能很好地滿足可視化實(shí)時(shí)交互需要等問(wèn)題，因此必須予以優(yōu)化。本文綜合分析了國(guó)內(nèi)外基于粒子系統(tǒng)的可視化應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)化方法，并從繪制效率優(yōu)化#65380;計(jì)算復(fù)雜性優(yōu)化#65380;粒子數(shù)量?jī)?yōu)化等角度予以總結(jié)和評(píng)價(jià)，在基于粒子系統(tǒng)的土壤可視化應(yīng)用中加以佐證。

1繪制效率優(yōu)化

粒子系統(tǒng)運(yùn)行的最終結(jié)果是在屏幕上繪制每個(gè)粒子形態(tài)，這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間，影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。繪制效率優(yōu)化就是采用特定方法減少粒子繪制時(shí)間，進(jìn)而提高速度。優(yōu)化包括系統(tǒng)級(jí)和代碼級(jí)兩種，系統(tǒng)級(jí)主要采用高速緩存保存編譯過(guò)的繪圖代碼，使用時(shí)不需再次編譯;代碼級(jí)主要基于人眼分辨率限制，少繪制或不繪制人眼不敏感或看不到的區(qū)域。

1.1顯示列表

OpenGL為加快圖形繪制速度提供了顯示列表接口，它是被存儲(chǔ)起來(lái)用于以后執(zhí)行的一組OpenGL命令。與子程序不同，這些命令經(jīng)過(guò)編譯，執(zhí)行效率高，并且只占據(jù)系統(tǒng)高速緩存，不占用內(nèi)存資源，能有效提高OpenGL繪圖性能。該方法使粒子消隱繪制的時(shí)間復(fù)雜度僅與繪制區(qū)域相關(guān)，而與粒子數(shù)量無(wú)關(guān)[7]。該方法適合于重復(fù)或周期性變化的粒子系統(tǒng);不適合屬性隨時(shí)間無(wú)規(guī)則變化的粒子系統(tǒng)。

1.2公告板技術(shù)

公告板(billboarding)是矩形圖元渲染的一種擴(kuò)展。其本質(zhì)是用快速繪制二維圖形代替三維實(shí)體模型，使二維對(duì)象看起來(lái)具有三維效果[8]。使用紋理映射繪制二維圖元并將其固定于一點(diǎn)，隨著觀察者視角改變而不斷改變法向量旋轉(zhuǎn)，使它總能朝向觀察者(圖1)。該方法適宜繪制云霧#65380;雪花#65380;導(dǎo)彈尾焰#65380;海平面等規(guī)模龐大#65380;立體感要求不高的自然景觀，不適宜繪制層次感#65380;立體感比較強(qiáng)的自然景觀。

1.3幾何形體優(yōu)化

粒子三維形體復(fù)雜程度對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性影響重大。粒子由三角面片組成，減少面片個(gè)數(shù)能優(yōu)化系統(tǒng)，但不可過(guò)于簡(jiǎn)化，否則影響真實(shí)感。對(duì)兩者折中是優(yōu)化的關(guān)鍵。層次感#65380;立體感要求不高時(shí)，可用二維形體代替三維形體。確實(shí)要用三維形體繪制粒子時(shí)，要盡量選擇系統(tǒng)自帶三維形體，如長(zhǎng)方體#65380;圓柱體#65380;球體等。因?yàn)檫@些繪制函數(shù)經(jīng)過(guò)測(cè)試和優(yōu)化，性能穩(wěn)定;若形體不是系統(tǒng)自帶三維形體，但不涉及坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算時(shí)可用坐標(biāo)變換生成。如橢球體可由球體經(jīng)過(guò)縮放變換得到;涉及坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算時(shí)可簡(jiǎn)化三角面片數(shù)逐片繪制，也可采用平面不規(guī)則組合體表示三維形體。如禹海全等人提出利用交叉平面表現(xiàn)導(dǎo)彈火焰[9](圖2)。真實(shí)感要求比較高時(shí)進(jìn)行形體優(yōu)化還要考慮優(yōu)化后貼圖難易程度。傳統(tǒng)方法在二維圖形中心為粒子貼圖，由于中心對(duì)稱性，需要繪制一定數(shù)目三角形來(lái)分割中心;宿春慧等人提出將粒子從中心移到周圍可被一個(gè)三角形覆蓋的范圍內(nèi)，這樣只需繪制一個(gè)三角形即可[10](圖3)。

1.4多級(jí)粒子系統(tǒng)

粒子自身屬性和方法也占據(jù)內(nèi)存容量，在一定程度上影響實(shí)時(shí)性。對(duì)粒子分級(jí)，設(shè)置不同屬性和方法，構(gòu)成多級(jí)粒子系統(tǒng)，可提高實(shí)時(shí)性。圖4是爆炸過(guò)程可視化。其中:周圍點(diǎn)狀粒子和中心片狀粒子可做成不同屬性和方法的二級(jí)粒子[11]。本方法適宜粒子系統(tǒng)中粒子間差異比較大的情況。

2計(jì)算復(fù)雜性優(yōu)化

粒子系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需要大量計(jì)算，如碰撞檢測(cè)#65380;速度調(diào)整#65380;內(nèi)存分配#65380;算術(shù)運(yùn)算#65380;循環(huán)判斷等。這些計(jì)算消耗系統(tǒng)資源，間接表示時(shí)間復(fù)雜度大小，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性影響比較大，處理不好將嚴(yán)重影響系統(tǒng)速度。計(jì)算復(fù)雜性優(yōu)化就是對(duì)上述計(jì)算過(guò)程予以優(yōu)化，減少時(shí)間復(fù)雜度。

2.1碰撞檢測(cè)與處理優(yōu)化

粒子之間碰撞由碰撞檢測(cè)#65380;速度調(diào)整#65380;位置調(diào)整三部分組成。對(duì)粒子而言，通過(guò)前兩部分就能實(shí)現(xiàn)碰撞前后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，而位置調(diào)整僅是為了增強(qiáng)碰撞瞬間可視化效果。對(duì)少量(幾個(gè))粒子構(gòu)成系統(tǒng)而言，位置調(diào)整可展現(xiàn)碰撞細(xì)微過(guò)程;如果系統(tǒng)中粒子數(shù)量很多，且目標(biāo)是展現(xiàn)整體效應(yīng)而非單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，那么位置調(diào)整可簡(jiǎn)化。

不同粒子形體不同，碰撞檢測(cè)和處理方式也不同。但實(shí)現(xiàn)起來(lái)很麻煩，故應(yīng)從宏觀角度著手，把所有粒子統(tǒng)一成球體進(jìn)行處理。根據(jù)粒子中心距離判斷是否發(fā)生碰撞，若兩粒子中心距離小于兩者粒徑之和，則表示發(fā)生碰撞;否則不發(fā)生碰撞。

碰撞檢測(cè)中計(jì)算粒子距離涉及平方#65380;開(kāi)方等操作，但影響速度。采用坐標(biāo)分量檢測(cè)可減少這些操作，提高速度。分別計(jì)算粒子間x#65380;y#65380;z坐標(biāo)分量距離，若某一分量距離大于兩者粒徑之和，則表明兩粒子不會(huì)碰撞;若三個(gè)分量都小于兩者粒徑之和，那么再計(jì)算兩者距離，確定是否發(fā)生碰撞(圖5)。

2.2存儲(chǔ)方式優(yōu)化

粒子系統(tǒng)中粒子越多，真實(shí)感就越強(qiáng)，但時(shí)間和空間消耗也隨之增加。大多性能問(wèn)題源于內(nèi)存管理失敗，應(yīng)盡量少執(zhí)行內(nèi)存分配和釋放操作。不宜用鏈表作為粒子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因?yàn)殒湵懋a(chǎn)生和刪除粒子時(shí)會(huì)有大量分配和釋放內(nèi)存操作，采用數(shù)組可避免該問(wèn)題。利用標(biāo)志位標(biāo)記粒子生存還是死亡，不必釋放內(nèi)存空間;產(chǎn)生新粒子時(shí)，判斷當(dāng)前粒子是否死亡，若死亡則對(duì)其重新初始化。此外，基于程序運(yùn)行局部性原理，當(dāng)內(nèi)存容量允許時(shí)，把與粒子有關(guān)方法集成到粒子類中，在一定程度上可提高實(shí)時(shí)性。

2.3運(yùn)動(dòng)過(guò)程優(yōu)化

粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程異常復(fù)雜，完全遵循物理公式難以實(shí)現(xiàn)，但人的肉眼分辨率有限，一定范圍內(nèi)差異覺(jué)察不到。所以完全遵循一來(lái)不現(xiàn)實(shí)，二來(lái)沒(méi)太大必要，尤其是展現(xiàn)成百上千粒子的整體效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程需要優(yōu)化。常用運(yùn)動(dòng)過(guò)程優(yōu)化方法有運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化#65380;運(yùn)動(dòng)逼近和運(yùn)動(dòng)插值等。運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化是把復(fù)雜運(yùn)動(dòng)變?yōu)楹?jiǎn)單運(yùn)動(dòng)。如王潤(rùn)杰等人提出忽略重力影響，將雨滴下落簡(jiǎn)化為勻速直線運(yùn)動(dòng)#65380;雪花飄落簡(jiǎn)化為正弦曲線下落[12]。運(yùn)動(dòng)逼近利用分段直線運(yùn)動(dòng)逼近曲線運(yùn)動(dòng);如馬駿等人提出用分段直線逼近的拋物線來(lái)模擬噴泉粒子水珠運(yùn)動(dòng)[13]。運(yùn)動(dòng)插值獲取粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中狀態(tài)變化關(guān)鍵幀，通過(guò)插值表現(xiàn)粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，避免求解復(fù)雜運(yùn)動(dòng)方程。

2.4線性表

粒子運(yùn)動(dòng)涉及大量三角函數(shù)#65380;對(duì)數(shù)函數(shù)#65380;指數(shù)函數(shù)等耗時(shí)運(yùn)算，可予以優(yōu)化提高實(shí)時(shí)性。現(xiàn)在PC機(jī)都有大容量?jī)?nèi)存，可以建立并查找線性表避免上述耗時(shí)運(yùn)算。以給定步長(zhǎng)為增量，將常用三角函數(shù)值#65380;對(duì)數(shù)函數(shù)值#65380;指數(shù)函數(shù)值用線性表存入內(nèi)存，只要給定步長(zhǎng)合理有效，即可滿足精度要求。

2.5局部力場(chǎng)

典型粒子系統(tǒng)包括粒子#65380;粒子源及施加在粒子上的力場(chǎng)。其中:力場(chǎng)是三維空間中對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)施加外力的區(qū)域;力場(chǎng)對(duì)其中的粒子產(chǎn)生力的作用，使其具有勢(shì)能。力場(chǎng)是粒子系統(tǒng)改進(jìn)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)力場(chǎng)實(shí)質(zhì)是全局力場(chǎng)，每個(gè)力場(chǎng)都遍歷整個(gè)粒子系統(tǒng)，即使有的力場(chǎng)并不作用于某些粒子，也要進(jìn)行遍歷，粒子數(shù)量很多時(shí)會(huì)影響實(shí)時(shí)性。可將全局力場(chǎng)劃分成若干局部力場(chǎng)，每個(gè)局部力場(chǎng)都有一定作用范圍，當(dāng)粒子進(jìn)入該范圍內(nèi)才受到它的作用。局部力場(chǎng)單獨(dú)作為一個(gè)模塊處理粒子運(yùn)動(dòng)，局部力場(chǎng)作用疊加符合平行四邊形法則。本方法適宜繪制在屏幕部分區(qū)域顯示的圖形，如球形禮花#65380;扁平火焰和細(xì)長(zhǎng)煙霧等[14]。

3粒子數(shù)量?jī)?yōu)化

粒子系統(tǒng)的基本組成是具有一定屬性和方法的粒子，粒子數(shù)量可間接表示空間復(fù)雜度大小。粒子數(shù)量越多，可以表現(xiàn)的細(xì)節(jié)就越清晰，真實(shí)感就越強(qiáng)。但是粒子數(shù)量越多，會(huì)帶來(lái)更多的空間開(kāi)銷，影響系統(tǒng)運(yùn)行速度。如何平衡真實(shí)感和粒子數(shù)量之間的矛盾，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。粒子數(shù)量?jī)?yōu)化就是在不影響系統(tǒng)真實(shí)感的前提下，盡可能地減少粒子數(shù)量，減少空間復(fù)雜度。

3.1結(jié)構(gòu)化粒子

粒子數(shù)量也是影響可視化實(shí)時(shí)性的重要因素，傳統(tǒng)粒子系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用大量離散粒子表現(xiàn)物體，但忽略粒子之間相似性。這樣會(huì)帶來(lái)兩方面問(wèn)題:首先，大量粒子耗費(fèi)很多存儲(chǔ)空間#65380;計(jì)算和繪制時(shí)間，難以保證實(shí)時(shí)性;其次，忽略相似性影響圖形真實(shí)感。張芹等人提出基于相似關(guān)系的結(jié)構(gòu)化粒子。其核心內(nèi)容是先生成一個(gè)結(jié)構(gòu)化粒子，然后改變其屬性，生成與之相似的粒子[7]。若要進(jìn)行可視化計(jì)算，那就有規(guī)律改變其屬性，以便計(jì)算時(shí)能獲取結(jié)構(gòu)化粒子生成的其他粒子屬性;否則就隨機(jī)改變其屬性，體現(xiàn)粒子系統(tǒng)復(fù)雜性和隨機(jī)性。若一個(gè)結(jié)構(gòu)化粒子近似表示n個(gè)基本粒子，則理想情況下運(yùn)行效率近似為原系統(tǒng)n倍(假設(shè)粒子動(dòng)態(tài)計(jì)算與粒子數(shù)成線性關(guān)系)。

3.2LOD技術(shù)

LOD(level of detail，細(xì)節(jié)層次)技術(shù)用于繪制遠(yuǎn)近不同區(qū)域。其原理是根據(jù)景物距視點(diǎn)距離，采用不同細(xì)節(jié)層次模型繪制。距離近的繪制精細(xì)些，遠(yuǎn)的繪制粗糙些，既縮短時(shí)間，又不降低真實(shí)感。不同LOD模型制作時(shí)常采用相似幾何體不斷逼近，同時(shí)調(diào)整模型附加紋理分辨率[15]。應(yīng)用LOD后，不同LOD模型之間切換容易出現(xiàn)突變現(xiàn)象。可采用中間插值使動(dòng)畫(huà)變形的方法解決該問(wèn)題。

3.3偽粒子系統(tǒng)

虛擬場(chǎng)景存在近大遠(yuǎn)小透視效果。當(dāng)視點(diǎn)與景物相距比較遠(yuǎn)時(shí)，由于人對(duì)景物分辨率有限，主要關(guān)心畫(huà)面連續(xù)性而非景物細(xì)節(jié)，此時(shí)采用偽粒子系統(tǒng)優(yōu)化可提高實(shí)時(shí)性[10]。該方法使用一組整體反映待做效果過(guò)程并具有alpha通道的紋理圖片，然后進(jìn)行播放。

4基于粒子系統(tǒng)的土壤可視化優(yōu)化

4.1系統(tǒng)概述

土壤是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)。構(gòu)建土壤可視化模型，對(duì)于研究植物生長(zhǎng)發(fā)育#65380;獲取土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)等具有重要意義[16]。研究表明，反映土壤結(jié)構(gòu)狀況的一些參數(shù)，如土壤粒徑分布#65380;孔隙度#65380;孔隙連通狀況都表現(xiàn)出分形特征[17]。構(gòu)成土壤主體的土壤顆粒具有分形特征，與粒子系統(tǒng)中的粒子相似。大量粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)是一種穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)，可以模擬土壤。基于此，采用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了土壤的土體結(jié)構(gòu)可視化。圖6表示利用粒子系統(tǒng)生成的三維可視化土壤。

4.2系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，先分別采用顯示列表#65380;幾何形體優(yōu)化#65380;多級(jí)粒子系統(tǒng)#65380;碰撞檢測(cè)與處理優(yōu)化#65380;線性表等方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。其中:碰撞檢測(cè)與處理優(yōu)化效果最好，平均改進(jìn)22.6%。最后綜合五種方法進(jìn)行優(yōu)化，平均改進(jìn)60.2%。具體結(jié)果如下。

4.2.1顯示列表

采用顯示列表優(yōu)化本系統(tǒng)，不同數(shù)目粒子優(yōu)化前后幀頻對(duì)比如表1所示。采用本方法優(yōu)化后，速度有4.7%~12.1%的改進(jìn)，平均改進(jìn)7.7%。

4.2.2幾何形體優(yōu)化

土壤粒子共計(jì)九種:片狀#65380;鱗片狀#65380;棱柱狀#65380;柱狀#65380;棱塊狀#65380;團(tuán)塊狀#65380;核狀#65380;粒狀#65380;團(tuán)粒狀。其中:鱗片狀和核狀分別是由四邊形環(huán)帶構(gòu)成的半橢球和整橢球。系統(tǒng)中具有成百上千個(gè)這樣的粒子，同時(shí)繪制降低速度。因此需簡(jiǎn)化四邊形環(huán)帶條數(shù)和每條環(huán)帶中四邊形個(gè)數(shù)，在不失真情況下盡量提高速度。原來(lái)繪制一個(gè)鱗片狀(核狀)粒子需10(20)條由20個(gè)四邊形構(gòu)成的環(huán)帶;經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用5(10)條由10個(gè)四邊形構(gòu)成的環(huán)帶繪制鱗片狀(核狀)粒子仍不失真(優(yōu)化前后基本粒子形狀見(jiàn)圖7)。

基于上述優(yōu)化方法，不同數(shù)目粒子優(yōu)化前后幀頻對(duì)比如表2所示。采用本方法優(yōu)化后，速度改進(jìn)12.5%~33.7%，平均改進(jìn)19.6%。

4.2.3多級(jí)粒子系統(tǒng)

建立三級(jí)粒子系統(tǒng)，粒徑較小的粒子繪制成點(diǎn)，粒徑適中的粒子照原樣繪出，粒徑較大#65380;影響整體顯示效果和實(shí)時(shí)性的粒子忽略。采用三級(jí)粒子優(yōu)化后，不同數(shù)目粒子優(yōu)化前后幀頻對(duì)比如表3所示。采用本方法優(yōu)化后，速度改進(jìn)6.0%~10.8%，平均改進(jìn)7.4%。

4.2.4碰撞檢測(cè)與處理優(yōu)化

對(duì)本系統(tǒng)而言，采用2.1節(jié)介紹的坐標(biāo)分量碰撞檢測(cè)法檢測(cè)碰撞，忽略碰撞后位置調(diào)整。不同數(shù)目粒子優(yōu)化前后幀頻對(duì)比如表4所示。采用本方法優(yōu)化后，速度改進(jìn)19.8%~25.0%，平均改進(jìn)22.6%，粒子數(shù)目越多，改進(jìn)效果越明顯。

4.2.5線性表

將常用三角函數(shù)值#65380;對(duì)數(shù)函數(shù)值#65380;指數(shù)函數(shù)值用線性表存入內(nèi)存，采用查找線性表代替算術(shù)運(yùn)算優(yōu)化系統(tǒng)。不同數(shù)目粒子優(yōu)化前后幀頻對(duì)比如表5所示。采用本方法優(yōu)化后，速度改進(jìn)3.2%~9.6%，平均改進(jìn)6.7%。

綜合上述五種優(yōu)化方法改進(jìn)系統(tǒng)，不同數(shù)目粒子優(yōu)化前后幀頻對(duì)比如表6所示。由此可知，速度改進(jìn)50.0%~81.9%，平均改進(jìn)60.2%。

5結(jié)束語(yǔ)

本文歸納總結(jié)國(guó)內(nèi)外粒子系統(tǒng)優(yōu)化的相關(guān)研究成果，從繪制效率#65380;計(jì)算復(fù)雜性#65380;粒子數(shù)量諸方面分析探討，以提高粒子系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。基于實(shí)際情況，采用部分方法在基于粒子系統(tǒng)的土壤可視化中進(jìn)行應(yīng)用，速度平均改進(jìn)60.2%，在一定程度上可提高繪制效率，減少計(jì)算復(fù)雜性。文中論述的方法切實(shí)#65380;有效，具有一定的理論參考和應(yīng)用價(jià)值。

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