基于粒子系統(tǒng)的照明彈仿真方法

徐立濤，鄧啟亮

(西安電子科技大學物理與光電工程學院，陜西西安 710071)

在計算機圖形學中，粒子系統(tǒng)被認為是成功的模擬模糊物體的圖形生成算法。1983年，William T.Reeves提出了一套模擬模糊物體的理論，此方法稱為粒子系統(tǒng)。該系統(tǒng)用大量粒子作為基本元素，并將這些基本元素聚集起來，形成不規(guī)則的模糊物體。在粒子系統(tǒng)中，使用許多粒子的集合來表示模糊物體，每個粒子的屬性均具有一定的隨機性，但所有粒子的整體具有規(guī)律性，可表現(xiàn)出模糊物體的特征。粒子系統(tǒng)被廣泛運用于虛擬現(xiàn)實、三維仿真、游戲開發(fā)、電影特效、科學仿真、科學計算可視化等領域。

照明彈的燃燒效果屬于模糊物體的范疇。其是一種用于發(fā)光照明的彈藥。照明彈通過點燃照明劑，產(chǎn)生劇烈的燃燒現(xiàn)象，發(fā)出耀眼的火光。本文主要研究了照明彈的基本工作原理，使用粒子系統(tǒng)建立了照明彈的模型，并運用面向?qū)ο髨D像渲染引擎 OGRE(Object－ oriented Graphics Render Engine)［2－3］實現(xiàn)照明彈效果的動態(tài)仿真。

1 粒子系統(tǒng)簡介

使用許多微小粒子組成集合體來表示模糊物體的方法，被稱為粒子系統(tǒng)理論。粒子系統(tǒng)是一個動態(tài)的粒子集合體。在粒子系統(tǒng)中，每個粒子均會經(jīng)歷產(chǎn)生、發(fā)展和消亡的過程［4］。每個粒子在產(chǎn)生時，都被賦予了一個生命周期，當一個粒子達到其生命周期時，將被視為消亡粒子而刪除。與此同時，新的粒子也在產(chǎn)生，整個粒子系統(tǒng)在不斷地更新著自身的狀態(tài)［5］。

粒子系統(tǒng)中的粒子，具有宏觀和微觀兩種屬性。宏觀屬性指粒子系統(tǒng)的整體形態(tài)和運動規(guī)律，是粒子系統(tǒng)作為整體需要遵循的規(guī)則作用。例如粒子受到重力作用而改變運動軌跡。微觀屬性指粒子個體的狀態(tài)參數(shù)，通常受到一個隨機過程的控制。例如某個粒子在某一時刻的尺寸、形狀和運動速度等。

粒子系統(tǒng)仿真物體的具體步驟［6］如下:(1)生成新粒子。(2)為新粒子分配初始屬性。(3)遍歷所有粒子并刪除到達生命周期的粒子。(4)更新存活粒子的屬性。(5)存活粒子的圖像被渲染到屏幕上。

2 照明彈工作原理分析

照明彈是一種用于發(fā)光照明的彈藥［7］。照明彈的彈丸主要包括時間引信、彈體、拋射藥、照明炬系統(tǒng)、吊傘，且照明炬系統(tǒng)與吊傘相連。照明炬系統(tǒng)內(nèi)部裝有照明劑，照明劑常由金屬可燃物、氧化物和粘合劑等物質(zhì)組成。照明劑燃燒時，能產(chǎn)生幾千度的高溫，并發(fā)射出耀眼的光芒，同時具有一定的燃燒時間。

照明彈通常配備于迫擊炮或中小口徑榴彈炮等射角較大的火炮。使用時，火炮將照明彈的彈丸發(fā)射到預定目標上空。彈丸到達預定的空域時，時間引信作用，點燃拋射藥和照明劑。拋射藥的燃燒產(chǎn)生大量氣體，同時彈丸爆炸照明炬系統(tǒng)和吊傘被拋出，并與彈體分離。吊傘在空氣阻力的作用下打開，搭載著照明炬系統(tǒng)緩慢下落，其速度一般為5～8 m/s。同時照明炬系統(tǒng)中的照明劑燃燒，發(fā)出耀眼的光芒，照亮周圍環(huán)境，發(fā)光強度可達40～80萬cd，持續(xù)燃燒時間通常為25 ～60 s。

3 照明彈模型建立

利用粒子系統(tǒng)理論模擬照明彈效果，關鍵在于理解照明彈的運動與變化過程，建立合適的模型［8］。根據(jù)照明彈的工作原理，可將照明彈發(fā)射后的時間分為兩個階段，彈丸爆炸前與彈丸爆炸后。本文從照明彈的形態(tài)變化過程和運動過程兩個方面分別進行設計建模，最終將兩個方面的模型整合，形成完整的照明彈模型。

3.1 照明彈形態(tài)變化過程建模

根據(jù)理論分析以及實際觀察的結(jié)果，本文采用兩組不同的粒子系統(tǒng)來模擬照明彈的形態(tài)變化效果。

第一組粒子系統(tǒng)用于模擬爆炸前彈丸的外觀形態(tài)。彈丸從發(fā)射后到爆炸前，外部被彈體包圍，形狀近似為橢球體，其不發(fā)光，且處于高速運動過程，肉眼不易發(fā)現(xiàn)。采用32×32的粒子位圖圓形作為第一組粒子系統(tǒng)的粒子材質(zhì)貼圖，以模擬彈丸的外觀形態(tài)?？刂频谝唤M粒子系統(tǒng)產(chǎn)生粒子的形狀、尺寸和灰度值不變，這便表現(xiàn)出了此階段彈丸外觀基本不變的特征。而照明彈彈丸發(fā)射的初始時刻，是將第一組粒子系統(tǒng)置于開啟狀態(tài)。

第二組粒子系統(tǒng)用于模擬爆炸后彈丸的外觀形態(tài)。在彈丸爆炸的瞬間，照明炬系統(tǒng)中的照明劑開始燃燒，發(fā)出明亮耀眼的火光。照明劑燃燒時，中心部分為一亮斑，周圍有一圈閃耀的光環(huán)。亮斑閃爍，光環(huán)的大小也隨之變化，且亮斑的閃爍具有一定的隨機性。本文使用第二組粒子系統(tǒng)，仿真照明劑的燃燒效果，并采用一張中央明亮周圍漸變、邊緣呈鋸齒狀的圖片作為第二組粒子系統(tǒng)的粒子材質(zhì)貼圖。使用此粒子系統(tǒng)每秒產(chǎn)生20個粒子，并設置每個粒子的生命周期在0.1～0.3 s中隨機取值。粒子達到生命周期時立即消失，同時產(chǎn)生新的粒子，從而使粒子系統(tǒng)的整體處于動態(tài)平衡。在此系統(tǒng)中，控制每個粒子的尺寸從初始值迅速地增大，以產(chǎn)生光環(huán)閃耀的視覺效果。同時令粒子的灰度值隨時間的推移而減小。粒子的灰度衰減的越快，產(chǎn)生的光環(huán)效果邊緣則越模糊。

動態(tài)模擬照明彈的過程中，首先只開啟第一組粒子系統(tǒng)，然后在彈丸爆炸的瞬間，關閉第一組粒子系統(tǒng)，并開啟第二組粒子系統(tǒng)，以實現(xiàn)照明彈外觀形態(tài)的轉(zhuǎn)換。

3.2 照明彈運動過程建模

為實現(xiàn)對照明彈運動過程的建模，本文使用OGRE圖像渲染引擎，對照明彈進行動態(tài)渲染。將粒子系統(tǒng)與一個場景節(jié)點(Scene Node)綁定，通過對該場景節(jié)點的操作，實現(xiàn)對粒子系統(tǒng)運動過程的控制。首先創(chuàng)建幀監(jiān)聽器FrameListener方法，獲取每一幀圖像中粒子的運動狀態(tài)，其中包括粒子的中心位置和運動速度。然后根據(jù)粒子的運動狀態(tài)，為粒子添加相應的力學效果。具體實現(xiàn)過程中，照明彈運動過程建模分為彈丸的上升階段和下落階段兩部分。

可認為彈丸在最高點位置爆炸，因此彈丸的上升階段等于彈丸爆炸前階段。照明彈的彈丸被發(fā)射后，初速度方向幾乎豎直向上。然后在重力的作用下，彈丸的速度逐漸降低，直到速度降為0。此過程滿足公式

其中，v(0)為彈丸的初速度，v(t)為照明彈發(fā)射后t秒時刻彈丸的瞬時速度，g為重力加速度，t為照明彈發(fā)射后經(jīng)歷的時間。軟件模擬的過程中，在FrameListener方法里，添加對粒子狀態(tài)的監(jiān)視與控制。粒子的初始速度方向為豎直向上。在每一幀中獲取粒子的位置，計算連續(xù)兩幀圖像中粒子移動的距離，以用此距離除以兩幀圖像的時間差，得到粒子的瞬時速度。當此瞬時速度＞0時，設置粒子獲得了豎直向下的加速度g，g取9.8 m/s2。

彈丸的下落階段等于彈丸爆炸后階段。彈丸在最高點爆炸后，吊傘打開，為照明炬系統(tǒng)提供了豎直向上的空氣阻力，此空氣阻力的大小等于照明炬系統(tǒng)和吊傘的總重力。照明炬系統(tǒng)在豎直方向上受力平衡，以每秒數(shù)米的均速下落，直至照明劑熄滅或落地。在軟件模擬的方法中，通過FrameListener方法，獲取粒子的瞬時速度。在此瞬時速度為0的瞬間，設置粒子的加速度等于0，同時改變粒子的運動速度，使得粒子做方向向下的勻速直線運動。繼續(xù)監(jiān)視粒子的狀態(tài)，若粒子降落到了地面位置，或粒子系統(tǒng)的開啟時間達到設置的閾值，則將粒子系統(tǒng)關閉。

4 照明彈效果渲染

使用OGRE圖像渲染引擎將建立的照明彈模型整合，并加載到場景中，實現(xiàn)對照明彈效果的動態(tài)渲染［9］。圖1為仿真的照明彈效果圖像，其中圖1(a)為彈丸爆炸前的仿真效果，圖1(b)為彈丸爆炸后的仿真效果。

圖1 仿真的照明彈效果圖像

5 結(jié)束語

本文研究了照明彈的基本原理，建立了照明彈的模型，并仿真了照明彈的效果。文中分別從形態(tài)變化過程和運動過程兩方面，對照明彈進行分析建模，并使用粒子系統(tǒng)模擬照明彈效果，驗證其具有動態(tài)性，且視覺真實感較強。

［1］WILLIAM T，REEVES L L.Particle systems－ a technique for modeling a class of fuzzy objects［J］.Computer Graphics，1983，17(3):359 －365.

［2］Clay Culver.OGRE 網(wǎng)上教程［M/OL］.(2008－04－08)［2013 －02 －14］http://www.sudu.cn/info/html/edu.

［3］FELIX K.Ogre 3D 1.7 beginner's guide［M］.Birmingham，UK:Packt Publishing Ltd.，2010.

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