基于ＤｉｒｅｃｔＤｒａＷ及粒子系統(tǒng)的飛機(jī)水汽尾跡仿真算法研究

摘要：利用粒子系統(tǒng)的基本原理，將飛機(jī)水汽尾跡定義為一系列具有生命周期的不規(guī)則、隨機(jī)分布的粒子，給出相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型和算法，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)水汽尾跡的仿真。針對(duì)仿真過(guò)程中色彩轉(zhuǎn)換相對(duì)困難的問(wèn)題，采用查詢預(yù)先存儲(chǔ)的RGB顏色分量的各級(jí)強(qiáng)度值的方式，結(jié)合DirectDraw的換頁(yè)技術(shù)，加快了算法的運(yùn)行速度。

關(guān)鍵詞：粒子系統(tǒng)；水汽尾跡；算法；換頁(yè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004—373X(2008)04—145—02

飛機(jī)水汽尾跡是虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的重要組成部分，也是射擊類游戲中必不可少的特效。他具有不規(guī)則的幾何外形，也不同于靜態(tài)景物，具有內(nèi)在的不確定性。對(duì)于此類物體，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)采用粒子系統(tǒng)來(lái)仿真。粒子系統(tǒng)是用來(lái)模擬自然景物中運(yùn)動(dòng)模糊物體的一種非常有效的模型，他根據(jù)粒子的產(chǎn)生、移動(dòng)和消失描述飛機(jī)水汽尾跡的微小變化，能夠達(dá)到很逼真的效果。

1 粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)是模擬自然景物的微小物理學(xué)模型，通常用于物體的爆炸、水汽尾跡以及其他模糊景物的模擬。粒子系統(tǒng)方法的基本思想是用許多形狀簡(jiǎn)單且賦予生命的微小粒子作為基本元素，把物體定義為許多不規(guī)則、隨機(jī)分布的粒子，而每個(gè)粒子均有一定的生命期，然后根據(jù)物體的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)屬性以及物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，決定是產(chǎn)生新的粒子還是清除超出生命期的粒子，具體分為以下3個(gè)步驟：

(1)粒子的產(chǎn)生

產(chǎn)生相應(yīng)的粒子加入仿真環(huán)境中，設(shè)置每個(gè)粒子的靜態(tài)屬性，如初始位置、方向、顏色、透明度、生命周期等。

(2)粒子的移動(dòng)

依據(jù)粒子的動(dòng)態(tài)屬性以及物體的物理學(xué)模型改變位置以及粒子的加速度。

(3)粒子的繪制

刪除超過(guò)生命周期的粒子，顯示其余的粒子組成的圖形。

2 飛機(jī)水汽尾跡仿真

2.1粒子的產(chǎn)生

粒子系統(tǒng)的粒子由基本粒子和隨機(jī)粒子組成，基本粒子構(gòu)成物體的主體形狀。為了讓尾跡看起來(lái)比較真實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，可將其運(yùn)動(dòng)軌跡看成是以水汽噴出點(diǎn)為中心左右偏移一定距離R的帶狀。因此，粒子的初始位置可根據(jù)式(1)，式(2)設(shè)定。

2.3 粒子顏色的變化

在多數(shù)時(shí)候，在RGB空間實(shí)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換非常費(fèi)力，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)色彩動(dòng)畫(huà)，對(duì)于每一個(gè)象素，執(zhí)行式(6)

i×pixel(r，g，6)＝pixel(i×r，i×g，i×b) (6)

要進(jìn)行3次乘法才能調(diào)制出顏色的變化，再加上必須從象素中提取RGB分量，變換完成后還要重新組合出RGB字。這對(duì)算法的復(fù)雜度有很大的影響。可采用查詢表的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，方法是創(chuàng)建一個(gè)二維數(shù)組查詢表，表的大小是用到的顏色值與需要的強(qiáng)度之積，計(jì)算所用到的水汽尾跡色彩的RGB值的各級(jí)強(qiáng)度值并將其儲(chǔ)存到表中。將RGB字作為表的索引，把顏色的強(qiáng)度作為第二級(jí)索引進(jìn)行查詢即可。

2.4尾跡的繪制

飛機(jī)尾跡粒子的繪制由粒子的生命周期決定，當(dāng)粒子處于生命周期時(shí)采用DirectDraw換頁(yè)技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)繪制。換頁(yè)技術(shù)先在離屏緩沖中繪制一、兩幀備用的圖象，然后操作硬件激活其他表面使其可見(jiàn)。這樣免除了內(nèi)存塊拷貝的開(kāi)銷，并將擦除圖像、生成顯示以及其他對(duì)每一幀畫(huà)面的操作放到后備緩沖中，由計(jì)算機(jī)后臺(tái)處理，有助于提高大型粒子系統(tǒng)的繪制速度。

要完成尾跡的點(diǎn)繪制，可根據(jù)其動(dòng)力學(xué)模型將粒子點(diǎn)的位置、顏色等狀態(tài)放在不同的離屏緩沖中，然后通過(guò)快速切換達(dá)到平滑動(dòng)畫(huà)的目的。

2.5 編程實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，首先要對(duì)粒子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可細(xì)分為粒子狀態(tài)、位置、速度、顏色、生命周期等：

定義好粒子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在仿真過(guò)程中要首先生成粒子組；然后根據(jù)各粒子的狀態(tài)，對(duì)粒子進(jìn)行添加、刪除和移動(dòng)等操作，最終形成水汽效果，具體算法如圖2所示。

圖3是在Windows環(huán)境下利用Visual C++6.0繪制的飛機(jī)水汽尾跡效果圖。

3 結(jié) 語(yǔ)

粒子系統(tǒng)在描述模糊運(yùn)動(dòng)物體中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)有很多基于OpenGl。的仿真算法，但由于OpenGL紋理映射需要很大的內(nèi)存空間，渲染相對(duì)復(fù)雜，采用DirectDraw對(duì)于仿真速度有一定的提高。本文利用粒子系統(tǒng)原理，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)水汽尾跡的仿真算法，并采用Di—rectDraw的換頁(yè)技術(shù)和查詢表改變RGB顏色的方式提高了渲染速度，對(duì)于爆炸、燃燒、火焰等游戲場(chǎng)景以及虛擬戰(zhàn)場(chǎng)的特效仿真有一定的指導(dǎo)意義。