粒子系統(tǒng)在雨景仿真中的研究和應(yīng)用

端木利亞 馬原龍 董 波 袁清清

（河南師范大學(xué)計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院 河南 新鄉(xiāng) 453007）

粒子系統(tǒng)在雨景仿真中的研究和應(yīng)用

端木利亞 馬原龍 董 波 袁清清

（河南師范大學(xué)計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院 河南 新鄉(xiāng) 453007）

由于自然現(xiàn)象的不規(guī)則性，真實(shí)地對自然現(xiàn)象仿真是有難度的，本文詳細(xì)的介紹了粒子系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，并以雨滴粒子為例，系統(tǒng)的介紹了粒子系統(tǒng)在雨景仿真中的應(yīng)用，通過分析模型中雨粒子的屬性及其變化，結(jié)合Opengl技術(shù)對雨滴的下落做出了逼真的模擬。

虛擬現(xiàn)實(shí)；粒子系統(tǒng)；雨景仿真；Opengl

0 前言

逼真的模擬自然景物是計算機(jī)圖形學(xué)具有挑戰(zhàn)性的一個課題，其主要原因是自然景物具有隨機(jī)變化的形狀，造型相對困難以及其表面包含的豐富細(xì)節(jié)。目前，已經(jīng)有較多的算法和理論對不規(guī)則物體的模擬，如JoStarm和EugeneFiume建立的紊流模型；D.S.Ebert等提出的用定義實(shí)體紋理的方法來表示氣體及其運(yùn)動，并通過變化紋理參數(shù)實(shí)現(xiàn)動畫等。這其中被認(rèn)為模擬不規(guī)則模糊物體最為成功的一種圖形生成算法當(dāng)數(shù)Reeves的粒子系統(tǒng)理論，它具有良好的動態(tài)性和隨機(jī)性，能夠逼真地模擬動態(tài)景物。因此，對粒子系統(tǒng)方法模擬自然景物方法的研究，有著重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR，Virtual Reality)，又稱做虛擬環(huán)境(VE，Virtual Environment)，是一種逼真的集合了視、聽、觸覺的計算機(jī)生成環(huán)境，從本質(zhì)上說，就是一種先進(jìn)的API，用戶可以借助必要的設(shè)備以一種自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互作用，從而獲得一種身臨其境的感受和體驗(yàn)。

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究和發(fā)展的過程中，其具有三個“I”的特性：①交互(Interaction)；②想象(Imagination)；③沉浸(Immersion)。

2 粒子系統(tǒng)

目前最常使用的過程模型有如下三類：①基于過程的紋理模型；②基于分形理論的算法模型；③基于動態(tài)隨機(jī)生長原理的算法模型。這其中基于動態(tài)隨機(jī)生長原理的算法模型當(dāng)中是以Reeves提出的粒子系統(tǒng)為代表，粒子系統(tǒng)是迄今為止被認(rèn)為是模擬不規(guī)則物體最為成功的一種圖形生成算法。

2.1 粒子系統(tǒng)簡介

用大量的、具有一定生命的粒子圖元來描述自然界不規(guī)則的模糊景物是粒子系統(tǒng)模型的基本思想。粒子系統(tǒng)中的粒子在任一時刻都具有隨機(jī)的形狀、顏色、大小、透明度、運(yùn)動速度和運(yùn)動方向等屬性，并伴隨著時間的推移其相應(yīng)屬性發(fā)生變化。粒子在系統(tǒng)內(nèi)部要經(jīng)過“產(chǎn)生”、“活動”和“死亡”三個階段，在某一時刻所有存活的粒子集合就構(gòu)成了粒子系統(tǒng)模型。

作為構(gòu)造具有模糊形狀物體的計算模型的方法，粒子系統(tǒng)一般用于對自然景物進(jìn)行動態(tài)模擬。對于任何物體，不論其是固態(tài)、液態(tài)還是氣態(tài)，都可以認(rèn)為是由大量最簡單的粒子所構(gòu)成，粒子系統(tǒng)所要解決的問題就是這些“粒子”的存在和運(yùn)動遵循的規(guī)則和所受的作用。

2.2 粒子系統(tǒng)的基本原理

粒子系統(tǒng)理論主要由以下部分組成：

（1）物質(zhì)的粒子組成假設(shè)。

（2）粒子的獨(dú)立關(guān)系假設(shè)。包含兩層含義，一是粒子系統(tǒng)中各粒子不與場景中任何其它物體相交，二是粒子之間不存在相交關(guān)系，并且粒子是不可穿透的。

（3）粒子的生命機(jī)制。在這一生命周期內(nèi)，粒子要經(jīng)歷“產(chǎn)生”、“活動”和“死亡”三個基本歷程。

（4）粒子的屬性。

（5）粒子的運(yùn)動機(jī)制。粒子在生存期間按照一定的運(yùn)動規(guī)律在系統(tǒng)中運(yùn)動，這也是粒子系統(tǒng)模擬動態(tài)景物的關(guān)鍵。

2.3 粒子系統(tǒng)的基本模型

每個粒子將經(jīng)歷出生、生長、衰老和死亡這四個階段，從而生成一系列的運(yùn)動場景，通常粒子系統(tǒng)模擬景物的基本步驟為：

（1）產(chǎn)生新的粒子，并刪除系統(tǒng)中死亡的粒子。

（2）賦予每個新粒子一定的初始屬性。

（3）對剩下的粒子根據(jù)運(yùn)動規(guī)律及相關(guān)算法進(jìn)行移動和更新。

（4）繪制有生命的粒子組成的圖像。

3 雨粒子系統(tǒng)

雨粒子系統(tǒng)由大量的雨滴粒子組成，對于雨粒子系統(tǒng)要考慮的屬性有粒子數(shù)、粒子產(chǎn)生區(qū)域、粒子平均生存期，對于雨滴粒子則要考慮形狀、位置、速度、大小、生存期、顏色、透明度等屬性。

為了滿足過程對實(shí)時性的要求，這里對雨粒子系統(tǒng)做了適當(dāng)?shù)暮喕僭O(shè)所有雨滴粒子的顏色和透明度都相同，并且從粒子的產(chǎn)生到消亡這一過程中這些屬性都不發(fā)生變化，把這些作為常量屬性處理，只需記錄每一個雨滴粒子的位置、速度、大小、生存期等關(guān)鍵變量屬性，因此可將雨滴表示如下：

雨滴={位置，形狀，速度，大小，生存期，顏色，透明度}。雨滴粒子系統(tǒng)的是通過Opengl技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

3.1 Opengl簡介

Opengl是一個高性能的圖形開發(fā)軟件包，包括了變換、色彩處理、光線處理、動畫處理映射、物體運(yùn)動模糊效果等功能，表現(xiàn)出十分優(yōu)越的性能。其強(qiáng)大的圖形函數(shù)使得開發(fā)者不僅可以直接使用自己的數(shù)據(jù)，還可以利用其它不同格式的數(shù)據(jù)源文件，極大地節(jié)省了開發(fā)時間，提高了開發(fā)效率。

完整的窗口系統(tǒng)的Opengl圖形處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。Opengl在Client/Server體系結(jié)構(gòu)中，允許本地或遠(yuǎn)程調(diào)用Opengl。

圖1

3.2 Opengl功能描述

（1）變換

Opengl圖形庫的變換包括視圖變換、造型變換和投影變換。造型變換包括平移、旋轉(zhuǎn)和縮放三種變換，投影變換有正射投影和透視投影兩種變換。

（2）光照和材質(zhì)設(shè)置

在Opengl的光照模型中，光線可以分為：環(huán)境光、輻射光、漫反射光和鏡面光四大類。

（3）紋理映射

為了使物體看起來更具有真實(shí)感，還需要給物體增加現(xiàn)實(shí)世界中物體的紋理細(xì)節(jié)，所以紋理映射增加了模型的逼真性，節(jié)省了圖形的繪制時間。

（4）特殊效果

為了使場景看起來更加逼真，在場景中增加了透明的效果，就是利用Opengl對顏色進(jìn)行融合產(chǎn)生的。通過反走樣技術(shù)就可以消除場景中的鋸齒，對模型進(jìn)行平滑處理，還可以創(chuàng)建逼真的大氣霧化現(xiàn)象來增加場景的視覺效果。

3.3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案與實(shí)現(xiàn)

粒子系統(tǒng)模塊

運(yùn)行結(jié)果圖片

單個雨滴粒子（如圖2）

圖2

大量雨滴粒子（如圖3）

圖3

4 結(jié)束語

用計算機(jī)生成真實(shí)感強(qiáng)的圖形一直是計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域最具有挑戰(zhàn)性的研究方向之一，而自然界中的大多數(shù)景物，如山、水、雨、雪等，因?yàn)樗鼈冃螤畹牟灰?guī)則性和性質(zhì)的多變性，它們的模擬更具有挑戰(zhàn)性。本文通過對粒子系統(tǒng)在雨景仿真中的應(yīng)用的研究，闡述了粒子系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，同時通過Opengl技術(shù)編程實(shí)現(xiàn)了對雨滴下落的模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明更夠達(dá)到真實(shí)模擬動態(tài)雨景的效果，增強(qiáng)了實(shí)時性，提高了運(yùn)行速度。

［1］張聞芳.自然景物的三圍表現(xiàn)方法研究[D].湖南大學(xué)，2007.

［2］劉明.基于Opengl的大規(guī)模場景實(shí)時渲染技術(shù)的研究[D].華中科技大學(xué)，2007.

［3］辛玲.粒子系統(tǒng)在視景仿真中的研究和應(yīng)用[D].中南民族大學(xué),2008.

［4］李蘇軍，吳玲達(dá).基于粒子系統(tǒng)的實(shí)時雨模擬[J].計算機(jī)工程,2007,33：236-238.

［5］薛菲，張榮國，陳大川，張建國.基于粒子系統(tǒng)的雪景模擬算法研究與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)與數(shù)字工程,2011,6：11-14.

［6］張帆.虛擬場景中的自然景物模擬[D].南京理工大學(xué)，2006.

Particles in The Rain of The Simulation of Landscape System Research and The Application

DUANMU Li-ya MA Yuan-long DONG Bo YUAN Qing-qing
（Henan Normal University Institute of Computer Science and Technology，Xinxiang Henan，453007，China)

Because of natural phenomenon irregularities,truly to natural phenomenon simulation is difficult,this paper introduced the particle system related content,and to rain as an example of the particle systems is introduced in the rain particle system of the simulation of landscape application,through the analysis model of the property and its change costarring particles,combined with Opengl technology on the whereabouts of rain made a realistic simulation.

Virtual reality；Particle system；Rain scene simulation；Opengl

河南師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計劃資助國家級項(xiàng)目(101047608)，項(xiàng)目名稱是基于粒子系統(tǒng)的雨景仿真。

端木利亞（1990—），女，河南焦作人，學(xué)生，本科。

馬原龍（1989—），男，河南焦作人，學(xué)生，本科。

董波（1989—），男，河南安陽人，學(xué)生，本科。

袁清清（1989—），女，河南洛陽人，學(xué)生，本科。

王靜］