基于粒子系統(tǒng)建模原理

趙柏宇　全吉成　王平

【摘 要】介紹了粒子系統(tǒng)特點(diǎn)，建模原理，基本模型和對(duì)于物理方法的優(yōu)越性。并闡述了粒子系統(tǒng)中粒子的一些屬性，并給出了粒子產(chǎn)生的流程圖

【關(guān)鍵詞】粒子；粒子系統(tǒng)；建模；流程圖

如今，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，自然場(chǎng)景景物的模擬漸漸的成為人們關(guān)注的交點(diǎn)，利用物理模型進(jìn)行模擬可以達(dá)到較好的繪制效果，但是會(huì)消耗大量的時(shí)間。相反的粒子系統(tǒng)的提出很好的解決了耗時(shí)的問(wèn)題，但是對(duì)于復(fù)雜的場(chǎng)景運(yùn)用粒子系統(tǒng)模擬會(huì)丟失一些細(xì)節(jié)，使模擬效果不夠真實(shí)，因此本章先對(duì)粒子系統(tǒng)和物理模型分別進(jìn)行介紹，再將粒子系統(tǒng)與物理方法相結(jié)合建立模型。

1 粒子系統(tǒng)建模原理

1.1 粒子系統(tǒng)理論概述

為了解決由大量小顆粒組成的自然場(chǎng)景在電腦屏幕顯示的模擬[1]與顯示的問(wèn)題，在1983年Reeves[2]提出粒子系統(tǒng)這一重要理論，該理論有效的利用簡(jiǎn)單的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)具有不規(guī)則形狀且變化復(fù)雜的自然場(chǎng)景[3]，例如大規(guī)模爆炸、煙霧[4-5]、火焰、雨雪及云的模擬都可以利用粒子系統(tǒng)來(lái)模擬完成。

粒子系統(tǒng)具有很大的隨機(jī)性，是由大量的粒子元素構(gòu)成的，這恰好滿(mǎn)足了自然場(chǎng)景隨機(jī)運(yùn)動(dòng)以及擴(kuò)散的條件，隨著時(shí)間的推移，粒子數(shù)目不斷增多，從自然場(chǎng)景的局部構(gòu)建到整體構(gòu)建，形成了完整的建模過(guò)程。

1.2 粒子系統(tǒng)的特點(diǎn)和缺點(diǎn)

與傳統(tǒng)的物理方法建模相比，粒子系統(tǒng)有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

（1）選擇靈活性：粒子系統(tǒng)是通過(guò)大量的粒子或幾何圖元組合在一起形成大規(guī)模的自然場(chǎng)景，對(duì)于場(chǎng)景的不同，粒子數(shù)量和粒子基本圖元的選擇都具有很大的靈活性，我們可以使用點(diǎn)作為基本圖元，也可以使用多變性作為基本圖元，這樣就可以不必按照傳統(tǒng)圖形學(xué)的嚴(yán)格用多邊形的方法來(lái)描述。當(dāng)然，我們可以選擇用10000粒子模擬戰(zhàn)場(chǎng)中的大規(guī)模爆炸，也可以用3000粒子模擬蠟燭的火焰，粒子數(shù)目的多少取決與場(chǎng)景的大小，這些靈活的處理會(huì)在算法上得到簡(jiǎn)化，提高實(shí)時(shí)性。

（2）動(dòng)態(tài)靈活性：與傳統(tǒng)的建模方法不同，粒子系統(tǒng)的建模是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，摒棄了原有的靜態(tài)系統(tǒng)。粒子系統(tǒng)可以模擬物體的動(dòng)態(tài)特征，粒子都是隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，位移的變化，速度的變化，顏色的變化以及形狀的變化等等，粒子屬性的不斷變化使得整體系統(tǒng)形態(tài)發(fā)生變化。

（3）隨機(jī)靈活性：粒子系統(tǒng)的運(yùn)行符合隨機(jī)過(guò)程，粒子的各種屬性值是在一定范圍內(nèi)通過(guò)隨機(jī)過(guò)程隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)值，并且隨著時(shí)間的推移各種屬性都在進(jìn)行隨機(jī)的變化，通過(guò)調(diào)整參數(shù)可以改變視覺(jué)效果。

盡管粒子系統(tǒng)在模擬不規(guī)則物體方面有著很大的優(yōu)越性，但是還是有一定不足之處：

（1）粒子系統(tǒng)中粒子的數(shù)量直接影響渲染的實(shí)時(shí)性，一些大規(guī)模的場(chǎng)景需要大量的粒子繪制，這樣整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)十分龐大，降低了實(shí)時(shí)性。因此，在模擬大規(guī)模場(chǎng)景的物體時(shí)需要把握粒子的數(shù)量，使得真實(shí)性和實(shí)時(shí)性達(dá)到平衡，這也需要大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證完成。

（2）粒子系統(tǒng)的模擬主要針對(duì)的是不規(guī)則的物體，相比模擬規(guī)則形狀的物體，粒子系統(tǒng)方法就不一定能達(dá)到最好的效果，相反可能會(huì)丟失一些細(xì)節(jié)。因此在模擬不規(guī)則物體的時(shí)候，細(xì)節(jié)的變化的模擬將是一大挑戰(zhàn)。

2 粒子系統(tǒng)的基本模型

粒子系統(tǒng)是由大量稱(chēng)為粒子的簡(jiǎn)單體素組成的，這些粒子都有屬于自己的一組屬性，位置、速度、顏色、大小、生命周期等。每一個(gè)粒子都要經(jīng)歷完整的生命周期：產(chǎn)生，運(yùn)動(dòng)和死亡。粒子通常在指定的區(qū)域又隨機(jī)過(guò)程產(chǎn)生[6]，并不斷更新屬性，最后死亡。由于粒子的不斷運(yùn)動(dòng)，使得模擬的場(chǎng)景具有一定的動(dòng)態(tài)性，因此用粒子系統(tǒng)模擬戰(zhàn)場(chǎng)煙霧，爆炸以及火焰會(huì)有獨(dú)特的效果。

通常粒子系統(tǒng)模擬自然場(chǎng)景時(shí)的基本步驟如下：

（1）產(chǎn)生粒子并初始化屬性。根據(jù)所要繪制的場(chǎng)景選擇產(chǎn)生粒子的位置，數(shù)量并對(duì)這些粒子進(jìn)行初始化屬性賦值，最后將粒子加入粒子系統(tǒng)中。

（2）粒子屬性的更新。根據(jù)模擬物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及時(shí)更新粒子的運(yùn)動(dòng)位置、速度、生命周期等屬性。

（3）將“死亡”粒子從系統(tǒng)中刪除。隨著粒子屬性的不斷更新，一些粒子已經(jīng)達(dá)到了自己的生命周期，或者顏色與背景重合，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的性能，需要將“死亡”粒子從系統(tǒng)中除去。

（4）繪制圖像。對(duì)于系統(tǒng)中尚存在的那些粒子，選擇一定的繪制算法將其繪制成圖像并通過(guò)屏幕顯示出來(lái)。

粒子系統(tǒng)產(chǎn)生的流程圖模型如圖1所示：

圖1所示的是粒子生成的流程，但是在粒子系統(tǒng)中，不同粒子屬性的更新方式不盡相同，一般粒子都會(huì)具有以下幾種屬性：

1.粒子所在位置：Position

2.粒子的速度：Velocity

3.粒子的大小：Size

4.粒子的透明度：Alpha

5.粒子的顏色：Color

6.粒子的生命周期：Lifetime

為了方便管理每個(gè)粒子，我們?cè)诰帉?xiě)程序中可以將粒子歸為一個(gè)類(lèi)ParticleGroup。相應(yīng)的偽代碼如下所示：

Class ParticleGroup

{

int ParticleCount；//粒子數(shù)量

Init（）；//初始化粒子屬性

Update（）；//粒子屬性更新

Void delete（int i）；//刪除死亡粒子

Bool Add（）；//增加新的粒子

Render（）；//渲染粒子系統(tǒng)

Shutdown（）//關(guān)閉粒子系統(tǒng)

}

在粒子系統(tǒng)的基本模型中可以分為三個(gè)部分：層次結(jié)構(gòu)部分，粒子繪制部分，粒子系統(tǒng)控制機(jī)制。在本節(jié)中提到的4個(gè)步驟中，步驟（1）（2）（3）共同組成了粒子系統(tǒng)的控制機(jī)制，而步驟

（4）是粒子繪制部分。在實(shí)際的模擬場(chǎng)景中，根據(jù)不同的模擬場(chǎng)景的特點(diǎn)來(lái)確定以上基本步驟。

3 結(jié)束語(yǔ)

粒子系統(tǒng)可以在各種各樣的環(huán)境下對(duì)不規(guī)則的自然場(chǎng)景進(jìn)行建模，粒子的隨機(jī)性可以模擬動(dòng)態(tài)的場(chǎng)景，并且可以達(dá)到較好的效果，通過(guò)粒子屬性的不斷更新來(lái)完成粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，最后將死亡的粒子從系統(tǒng)中刪除，運(yùn)用粒子系統(tǒng)建模將是近年來(lái)學(xué)者們研究的重點(diǎn)方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]龐新，王相海.基于0penGL的禮花粒子系統(tǒng)模擬研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2008，35（5）：216-219.

[2]Reeves W T .Particle System-a Technique for Modeling a Class of Fuzzy Object [J].ACM Computer Graphics （SIGGRAPH83）（S0730-0301），1983，17（30）：359-376.

[3]徐陽(yáng)東.基于粒子系統(tǒng)不規(guī)則景物建模研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2009.

[4]張海山，吳家鑄.基于粒子系統(tǒng)的火箭發(fā)射煙霧特效實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息（管控一體化卷，2008，24（12-3）：248-249.

[5]趙春霞，張艷，戰(zhàn)守義.基于粒子系統(tǒng)方法的三維火焰模擬[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004，40（28）：73-75.

[6]汪繼文，張妍妍，陸和軍一種基于改進(jìn)的粒子系統(tǒng)的煙花模擬[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2009（12）：9805-9807.

[責(zé)任編輯：王偉平]