粒子系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)模糊自然景物模擬

1、蘇 小 紅 哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,粒子系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)模糊自然景物模擬,哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 蘇小紅,2,粒子系統(tǒng)（1/34）,Particle System W.T.Reeves 1983年提出 模擬不規(guī)則模糊物體的最重要、最成功的一種圖形生成算法,最初引入是為了模擬火焰 跳動(dòng)的火焰被看作是一個(gè)噴出許多粒子的火山 1985年，Reeves和Blau 進(jìn)一步發(fā)展了粒子系統(tǒng) 并維妙維肖的模擬了小草隨風(fēng)搖曳的景象,哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 蘇小紅,3,粒子系統(tǒng)（2/34）,應(yīng)用 動(dòng)態(tài)模糊自然景物模擬 擅長(zhǎng)描述不規(guī)則、結(jié)構(gòu)隨時(shí)間而變化的對(duì)象，表現(xiàn)不規(guī)則物體的隨機(jī)動(dòng)態(tài)特性 自然現(xiàn)象，密集場(chǎng)

2、景，真實(shí)的物理過程 如跳動(dòng)的火焰、煙霧、下雨、行云、遠(yuǎn)處隨風(fēng)搖曳的樹林和草叢等 電視電影的特技制作 已成功地應(yīng)用于著名動(dòng)畫軟件Alias|Wavefront、Softimage中 主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)庫(kù)放大的功能 Reeves聲稱用三個(gè)基本的描述，可生成由百萬(wàn)個(gè)粒子構(gòu)成的森林景色,哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 蘇小紅,4,粒子系統(tǒng)（3/34）,基本思想 造型和動(dòng)畫是一個(gè)有機(jī)的整體 單個(gè)隨時(shí)間變化的粒子(Particle)作為景物造型的基本元素 景物被定義為由成千上萬(wàn)個(gè)不規(guī)則的、隨機(jī)分布的粒子組成 由一組粒子構(gòu)成的系統(tǒng) 每個(gè)粒子有一個(gè)生命周期 包括出生、成長(zhǎng)、死亡等幾個(gè)階段，不斷有新的粒子加入，并有舊的粒

3、子消失 每個(gè)粒子都有一組隨機(jī)取值的屬性 初始位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向、初始大小、形狀、顏色、透明度等 本質(zhì)是隨機(jī)模型 采用隨機(jī)過程的方法，實(shí)現(xiàn)粒子在“出生”、“生長(zhǎng)”、“死亡”三個(gè)階段的不確定性,哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 蘇小紅,5,粒子系統(tǒng)（4/34）,模擬動(dòng)態(tài)自然景物的過程 生成新的粒子，分別賦予不同的屬性以及生命周期 將新粒子加到系統(tǒng)中 刪去系統(tǒng)中老的已經(jīng)死亡的粒子 根據(jù)粒子的屬性，按適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)模型或規(guī)則，對(duì)余下的存活粒子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制 繪制當(dāng)前系統(tǒng)中存活的所有粒子,哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 蘇小紅,6,粒子系統(tǒng)（5/34）,控制粒子的生成 通過隨機(jī)過程來(lái)控制 通過控制每一幀（每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)

4、）新增的粒子數(shù)和死亡的粒子數(shù)，來(lái)控制粒子系統(tǒng)中粒子的數(shù)量 該值將直接影響要模擬對(duì)象的密度 一般方法 先確定每個(gè)粒子的變化范圍 變化范圍由給定的平均期望值和最大方差來(lái)確定 然后在該范圍內(nèi)隨機(jī)地確定它的值,哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 蘇小紅,7,粒子系統(tǒng)（6/34）,控制每幀的粒子數(shù)的兩種方法 1. 通過指定每幀畫面新粒子平均數(shù)MeanParticles以及最大變化范圍VarParticles控制粒子數(shù)，第j幀中生成的粒子數(shù) 2. 新產(chǎn)生的粒子數(shù)取決于物體的屏幕尺寸。通過指定屏幕窗口單位面積上的新粒子平均數(shù)MeanParticles以及最大變化范圍VarParticles，根據(jù)物體覆蓋的屏幕尺寸Wi

5、ndowArea當(dāng)前窗口中需要生成的粒子 f 是當(dāng)前幀， f0 是粒子系統(tǒng)開始的第一幀，InitialMeanParticles 指第一幀粒子的平均數(shù)，DeltaMeanParticles 是相應(yīng)的變化率,哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 蘇小紅,8,粒子系統(tǒng)（7/34）,指定粒子的屬性 在自然景觀模擬中，粒子的各個(gè)屬性取值必須滿足待描述自然現(xiàn)象的物理特征,粒子的基本屬性包括： （1）初始位置； 2）初始運(yùn)動(dòng)速度、加速度和方向； （3）初始顏色； （4）初始透明度； 5）初始形狀大??； （6）生命周期。,哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 蘇小紅,9,粒子系統(tǒng)（8/34）,粒子的運(yùn)動(dòng)與變化 粒子的運(yùn)動(dòng)由一定的規(guī)

6、則控制，可與任何描述物體運(yùn)動(dòng)和特征的模型結(jié)合 例如Newton運(yùn)動(dòng)定律 在生長(zhǎng)過程中，粒子的屬性被隨機(jī)地改變 粒子的大小和形狀隨時(shí)間變化 在不同的階段粒子具有不同的形態(tài)和屬性（位置和速度） 粒子形狀可以是小球、橢球、立方體或其它形狀 其它性質(zhì)如粒子透明度、顏色和移動(dòng)等都隨機(jī)地變化,粒子系統(tǒng)（9/34）,粒子的消失 當(dāng)粒子某一屬性達(dá)到其制定的閾值時(shí) 該粒子將從粒子系統(tǒng)中消失 同時(shí)釋放其占有的資源,粒子系統(tǒng)（10/34）,雨景模擬 不考慮風(fēng)力場(chǎng)的作用和復(fù)雜物理因素的影響 在運(yùn)動(dòng)過程中，每個(gè)雨點(diǎn)粒子的速度保持均勻或保持固定加速度 采用位移映射技術(shù) 采用位移映射圖或者移位繪制器來(lái)描述曲面的幾何細(xì)節(jié) 僅

7、在繪制時(shí), 幾何細(xì)節(jié)才會(huì)被添加 可自適應(yīng)地根據(jù)具體位置選擇可見幾何細(xì)節(jié)的精細(xì)程度，以減小場(chǎng)景繪制的幾何復(fù)雜度,粒子系統(tǒng)（11/34）,雨景模擬 1. 粒子數(shù)量的控制 每一幀生成的新粒子數(shù)量基本保持穩(wěn)定，或有很小的隨機(jī)變化 常量N0表示每一幀生成的基本粒子數(shù) 2. 粒子的基本形態(tài) 通過位移映射技術(shù)將雨點(diǎn)紋理圖像映射到特定的粒子區(qū)間內(nèi),粒子系統(tǒng)（12/34）,雨景模擬 3. 雨點(diǎn)粒子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 4. 雨點(diǎn)粒子的運(yùn)動(dòng)模型 預(yù)設(shè)一個(gè)有限空間，雨滴從一個(gè)有限的高度開始勻速（或勻加速度）降落，到達(dá)某一高度（高度閾值）后雨滴粒子的生命周期結(jié)束,struct RainParticle float lifeCy

8、cle; / 粒子的生命周期 float velocity; / 粒子運(yùn)動(dòng)的速度，只考慮垂直速度 int x, y,z; / 粒子位置 ;,粒子系統(tǒng)（13/34）,雨景模擬 5. 算法描述,For each new frame Step1：生成一定數(shù)量的新粒子，對(duì)各個(gè)屬性賦初值； Step2：根據(jù)雨點(diǎn)粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更新場(chǎng)景中所有粒子的 速度、位置和生命周期； Step3：在每個(gè)新的位置繪制基本圖元，并進(jìn)行位移映射； Step4：刪除已經(jīng)死亡的粒子，釋放其占用的資源。 End,(a) N0=100 (b)N0=1000,粒子系統(tǒng)（14/34）,雪景模擬 不僅考慮降雪過程的模擬 還模擬積雪的效果

9、 考慮風(fēng)力場(chǎng)的作用 在運(yùn)動(dòng)過程中，每個(gè)雪花粒子以均勻速度或保持固定加速度向下降落，同時(shí)保持勻速的旋轉(zhuǎn),粒子系統(tǒng)（15/34）,雪景模擬 1.粒子數(shù)量的控制 每一幀生成的新粒子數(shù)量基本保持穩(wěn)定，或有很小的隨機(jī)變化 常量N0表示每一幀生成的基本粒子數(shù) 2. 粒子的基本形態(tài) 通過位移映射技術(shù)隨機(jī)將任意紋理圖像映射到特定的雪花粒子區(qū)間內(nèi),粒子系統(tǒng)（16/34）,雪景模擬 3. 雪花粒子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 4. 雪花粒子的運(yùn)動(dòng)模型 預(yù)設(shè)一個(gè)有限空間，雪花從一個(gè)有限的高度開始勻速（或勻加速度）降落，同時(shí)保持一定速度的旋轉(zhuǎn)，到達(dá)某一高度（高度閾值）后雪花粒子的生命周期結(jié)束,struct Snowarticle fl

10、oat lifeCycle; / 粒子的生命周期 float x,y,z; / 粒子位置 float xrot,yrot,zrot; /粒子的旋轉(zhuǎn)角度 float DropSpeed; /粒子的降落速度 float AngleSpeed; /粒子的旋轉(zhuǎn)速度 int TextureIndex; /粒子對(duì)應(yīng)的紋理索引 ;,粒子系統(tǒng)（17/34）,雪景模擬 5. 算法描述,For each new frame Step1：生成一定數(shù)量的新粒子，對(duì)各個(gè)屬性賦初值； Step2：根據(jù)雪花粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更新場(chǎng)景中所有粒子的 速度、位置和生命周期； Step3：在每個(gè)新的位置繪制基本圖元，并進(jìn)行位移映射；

11、 Step4：刪除已經(jīng)死亡的粒子，釋放其占用的資源。 End,粒子系統(tǒng)（18/34）,雪景模擬,粒子系統(tǒng)（19/34）,噴泉模擬 1. 噴泉粒子的運(yùn)動(dòng)分析 近似物理模型 噴泉水柱初始在豎直方向做向上的減速運(yùn)動(dòng) 在重力及空氣阻力的合力作用下粒子上升到最高點(diǎn)，速度為零 而后類自由落體運(yùn)動(dòng) 合成后粒子運(yùn)動(dòng)軌跡類似于拋物線,噴泉粒子運(yùn)動(dòng)軌跡,粒子系統(tǒng)（20/34）,噴泉模擬 2. 噴泉粒子的屬性設(shè)置 粒子速度 粒子位置 粒子類型（判斷是否應(yīng)該消亡） 淡化值（刻畫朦朧的霧化效果 ） 在運(yùn)動(dòng)過程中隨著時(shí)間推移，粒子不斷淡化，直至消失 粒子生命期 判斷粒子是否應(yīng)該消亡不僅僅由其生命期決定 在未到達(dá)其生命期極

12、限時(shí)，還要時(shí)刻檢測(cè)粒子當(dāng)前狀態(tài)是否達(dá)到淡化閾值 如果滿足了淡化閾值的限制，同樣將粒子從系統(tǒng)中刪除,粒子系統(tǒng)（21/34）,噴泉模擬 3. 噴泉粒子屬性的更新 假設(shè)噴泉水柱由系統(tǒng)中坐標(biāo)原點(diǎn)發(fā)出 粒子的發(fā)射源也定義在坐標(biāo)原點(diǎn) 每一時(shí)刻粒子從粒子源不斷發(fā)射 設(shè)定新發(fā)射的粒子具有水平方向的速度 當(dāng)噴泉發(fā)射多股水柱時(shí)，其俯視示意圖為,噴泉發(fā)射方向示意圖,角度是每股噴泉間隔角度，在計(jì)算噴泉速度和方向變化時(shí)要用到。在這里可取平均值，即如果噴泉柱數(shù)為N，則,粒子系統(tǒng)（22/34）,噴泉模擬 3. 噴泉粒子屬性的更新 粒子速度計(jì)算公式 粒子位置坐標(biāo)計(jì)算公式,g = 9.8,重力加速度 f 表示阻力 阻力與粒子速

13、度方向相反 上升過程中阻力與重力方向相同, f 0 下降過程中阻力與重力方向相反, f 0,粒子系統(tǒng)（23/34）,噴泉模擬 3. 噴泉粒子屬性的更新 如果不考慮阻力，粒子在x和z方向作勻速直線運(yùn)動(dòng)，在豎直方向做加速運(yùn)動(dòng)，加速度僅僅是重力加速度時(shí) 速度和位置坐標(biāo)計(jì)算公式,粒子系統(tǒng)（24/34）,噴泉模擬 4. 噴泉粒子的顯示 將系統(tǒng)中滿足顯示條件的粒子繪制出來(lái) 如果當(dāng)前噴泉粒子生命期大于零，則此顯示粒子可能需要，否則直接從粒子鏈表中刪除 如果當(dāng)前粒子生命期大于零，但是淡化值達(dá)到了規(guī)定的閾值，那么說(shuō)明此粒子已經(jīng)淡化到不可見，同樣可以不顯示，也從系統(tǒng)中刪除 只顯示還具有生命期且淡化值仍能保證其可見

14、的粒子,粒子系統(tǒng)（25/34）,噴泉模擬 噴泉粒子形狀 點(diǎn)元粒子 在當(dāng)前時(shí)刻粒子的位置處以一定的顏色繪制出點(diǎn)，粒子位置變化，點(diǎn)的顯示位置也跟隨變化，體現(xiàn)出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，粒子淡化效果在顏色中體現(xiàn) 多邊形粒子 以當(dāng)前時(shí)刻粒子位置作為中心繪制多邊形，并將能體現(xiàn)水花效果的紋理映射到多邊形上，粒子位置變化，多邊形位置也跟隨變化，體現(xiàn)出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡 球體粒子 以粒子位置作為球心，以最接近水珠的顏色（如青色），進(jìn)行小球體的繪制，粒子淡化效果在顏色中體現(xiàn) 線元粒子 計(jì)算出當(dāng)前粒子的位置，然后根據(jù)粒子運(yùn)動(dòng)公式得到下一時(shí)刻粒子的位置，兩點(diǎn)之間連線得到的線段作為粒子軌跡圖元，線元長(zhǎng)度為兩位置之間距離，線元沿著粒子運(yùn)

15、動(dòng)軌跡進(jìn)行移動(dòng) 用線元來(lái)表示噴泉粒子其實(shí)是將噴泉粒子小距離的運(yùn)動(dòng)軌跡變化來(lái)體現(xiàn)全部的運(yùn)動(dòng)，這樣進(jìn)行渲染的粒子運(yùn)動(dòng)看起來(lái)更加具有連續(xù)性,粒子系統(tǒng)（26/34）,噴泉模擬,粒子系統(tǒng)（27/34）,瀑布模擬 1. 瀑布粒子運(yùn)動(dòng)分析 近似物理模型 水流以隨機(jī)確定的初速度從瀑布源頭開始做向下的拋物線運(yùn)動(dòng) 粒子在下落過程中，或者因障礙物的撞擊改變運(yùn)動(dòng)方向，或者因生命期及淡化值達(dá)到規(guī)定閾值而消亡,瀑布粒子運(yùn)動(dòng)軌跡,粒子系統(tǒng)（28/34）,瀑布模擬 2. 瀑布粒子屬性設(shè)置及更新 粒子速度 粒子位置 粒子類型（判斷是否應(yīng)該消亡） 淡化值（刻畫朦朧的霧化效果 ） 粒子生命期 具體實(shí)現(xiàn)時(shí)瀑布粒子的結(jié)構(gòu)體與噴泉粒子很相似，只是由于規(guī)模不同，在粒子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上略有不同,粒子系統(tǒng)（29/34）,瀑布模擬 在粒子結(jié)構(gòu)定義中設(shè)置了一個(gè)指向“child”的指針： 瀑布源頭在同一時(shí)刻生成大量粒子，這些粒子組成一個(gè)鏈表 鏈表中的每一個(gè)粒子又是另一個(gè)鏈表的頭，在下一時(shí)刻粒子在重力場(chǎng)的作用下發(fā)生位移 與此同時(shí)粒子源又在生成新的粒子，新粒子插入為鏈表頭 不斷循環(huán)，直到某粒子因生命周期結(jié)束被刪除 這樣，瀑布粒子就隨著時(shí)間的推移形成