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，計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，自然場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，但是會消耗大量的時間。相反的粒子系統(tǒng)的提出很好的解決了耗時的問題，但是對于復(fù)雜的場景運(yùn)用粒子系統(tǒng)模擬會丟失一些細(xì)節(jié)，使模擬效果不夠真實(shí)，因此本章先對粒子系統(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景在電腦屏幕顯示的模擬[1]與顯示的問題，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單的算法來實(shí)現(xiàn)具有不規(guī)則形狀且變化復(fù)雜的自然場景[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，這恰好滿足了自然場景隨機(jī)運(yùn)動以及擴(kuò)散的條件，隨著時間的推移，粒子數(shù)目不斷增多，從自然場景的局部構(gòu)建到整體構(gòu)建，形成了完整的建模過程。

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：

（1）選擇靈活性：粒子系統(tǒng)是通過大量的粒子或幾何圖元組合在一起形成大規(guī)模的自然場景，對于場景的不同，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描述。當(dāng)然，我們可以選擇用10000粒子模擬戰(zhàn)場中的大規(guī)模爆炸，也可以用3000粒子模擬蠟燭的火焰，粒子數(shù)目的多少取決與場景的大小，這些靈活的處理會在算法上得到簡化，提高實(shí)時性。

（2）動態(tài)靈活性：與傳統(tǒng)的建模方法不同，粒子系統(tǒng)的建模是一個動態(tài)的過程，摒棄了原有的靜態(tài)系統(tǒng)。粒子系統(tǒng)可以模擬物體的動態(tài)特征，粒子都是隨著時間的推移而發(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)過程，粒子的各種屬性值是在一定范圍內(nèi)通過隨機(jī)過程隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)值，并且隨著時間的推移各種屬性都在進(jìn)行隨機(jī)的變化，通過調(diào)整參數(shù)可以改變視覺效果。

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)時性，一些大規(guī)模的場景需要大量的粒子繪制，這樣整個系統(tǒng)的開銷十分龐大，降低了實(shí)時性。因此，在模擬大規(guī)模場景的物體時需要把握粒子的數(shù)量，使得真實(shí)性和實(shí)時性達(dá)到平衡，這也需要大量的實(shí)驗來驗證完成。

（2）粒子系統(tǒng)的模擬主要針對的是不規(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，相反可能會丟失一些細(xì)節(jié)。因此在模擬不規(guī)則物體的時候，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)是由大量稱為粒子的簡單體素組成的，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。每一個粒子都要經(jīng)歷完整的生命周期：產(chǎn)生，運(yùn)動和死亡。粒子通常在指定的區(qū)域又隨機(jī)過程產(chǎn)生[6]，并不斷更新屬性，最后死亡。由于粒子的不斷運(yùn)動，使得模擬的場景具有一定的動態(tài)性，因此用粒子系統(tǒng)模擬戰(zhàn)場煙霧，爆炸以及火焰會有獨(dú)特的效果。

通常粒子系統(tǒng)模擬自然場景時的基本步驟如下：

（1）產(chǎn)生粒子并初始化屬性。根據(jù)所要繪制的場景選擇產(chǎn)生粒子的位置，數(shù)量并對這些粒子進(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)動規(guī)律及時更新粒子的運(yùn)動位置、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屏幕顯示出來。

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?。篠ize

4.粒子的透明度：Alpha

5.粒子的顏色：Color

6.粒子的生命周期：Lifetime

為了方便管理每個粒子，我們在編寫程序中可以將粒子歸為一個類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)際的模擬場景中，根據(jù)不同的模擬場景的特點(diǎn)來確定以上基本步驟。

3 結(jié)束語

粒子系統(tǒng)可以在各種各樣的環(huán)境下對不規(guī)則的自然場景進(jìn)行建模，粒子的隨機(jī)性可以模擬動態(tài)的場景，并且可以達(dá)到較好的效果，通過粒子屬性的不斷更新來完成粒子的運(yùn)動狀態(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].電腦知識與技術(shù)，2009（12）：9805-9807.

[責(zé)任編輯：王偉平]