（计算机应用技术专业论文）基于粒子系统的三维火焰模拟.pdfVIP

论文题曩：基子粒子系统的三维必煌模掇 专业：计算机应用技术 硕士生：宇亚卫( 签名)鑫垂里 指导教师：龙熙华( 签名)整墼望 箍要 如何逼真的模拟自然景物一直是图形学中的一个热门研究课题。火焰、云、雪花等 动态自然景物的模拟，在航空航天、影视广告、虚拟场景中有着广泛的应用。随着近年 来骚究赘不獗深天，套耱鑫然景耱搂叛舞法不甄灞玩，摸菝结巢穗越来越其有蒸实感。 其中，粒子系统方法是选今为止被认为模拟不规则模糊自然景物墩为成功的一种生成算 法，本文深入研究了基于粒子系统的三维火焰模拟方法。 首先，零文对国内终融有鲍火焰模数算法进章亍了瓣述、分攒秘慧结，著鬻竣了粒子 系统在建棱不规则自然豢物方面的几个霪要优点。 其次，深入讨论了基于粒子系统的三维火焰模拟方法，详细讨论了火焰模型中火焰 粒子属性的_ 扔始化及其变化，包括火焰粒子的形状、大小、颜色、透明度、位鬣、速度、 垒念蘩等，势显讨论了火戆粒子戆运动鞠绘毒l 。采翅嚣褒对象黪憨怒建立了黢予系统蟊 粒子的数据鳐构。设计了火焰模拟系统的功能模块，将该系统划分为四个模块：粒子系 统模块、粒子模块、纹理模块和运动场模块。在火焰绘制过程中，为了增强真嶷感，采 用了纹理映射技术、公害投技术、混色处理技术。特别是为了表瑷火焰来回左右上下跳 动静动态摇曳效果，在系统中增燕了逶渤场。在运动场中重点讨论了重力和贰力对火焰 的影响。为了提高实时性，在火焰粒子绘制中，一怒采用四角面片代替点粒子的绘制方 法，这样每一个面片可以代替几百个粒子；二是采用动态生成视点替用特效技术，提高 了系统载运行速度。在专 文戆最盖，臻讨了提裹粒予系绞实霹搜戆方法。 最后，采用v i s u a lc 十十6 0 为编程工具，三维动灏环境由o p e n g l 支持，在w i n d o w s x p 环境下开发了基于粒子系统的三维火焰模拟系统，模拟效果真灾。 关键词：粒子系统；火焰摸j 堇i ；演染；纹理浚射 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：s i m u l a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lf i r eb a s e do np a r t i c l es y s t e m s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y m e：h y a w e i i n s t r u c t o r ：l o n gx i h u a a b s t r a c t ( s i g n a t n r e 2 & 羞 滋 ， ( s i g n a t u r e ：逝址纽亟 一 h o wt os i m u l a t en a t u r a ls c e n e r i e sv i v i d l yi sa l w a y sah o tt o p i ci nc o m p u t e rg r a p h i c s t h es i m u l a t i o no fd y n a m i cn a t u r a ls c e n e r i e s ，s u c ha sf i r e ，c l o u da n ds n o w f l a k e ，a r ew i d e l y u s e di n n a v i g a t i o n ，s p a c e f l i g h t ，m o v i e ，a d v e r t i s e m e n ta n dv i r t u a lr e a l i t y w i t ht h e d e v e l o p m e n to fr e s e a r c hi nt h i ss u b j e c tr e c e n t l y , k i n d so fs i m u l a t i n ga l g o r i t h m sh a v eb e e n p r o p o s e d , t h er e s u l t so fs i m u l a t i n gi sb e c o m i n gv i v i d e rt h a nb e f o r e 。a m o n gt h e s ea l g o r i t h m s ， p a r t i c l es y s t e mh a sb e e nr e g a r d e da st h em o s ts u c c e s s f u lo n ef o rs i m u l a t i n gi r r e g u l a rf u z z y n a t u r a ls c e n e r i e ss of a r t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e st h em e t h o do ft h r e e - d i m e n s i o n a lf i r e s i m u l a t i o nb a s e d w o nt h ep a r t i c l es y s t e m f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r e v i o u sa l g o r i t h m so ff i r es i m u l a t i o n , t h e na n a l y z e s a n ds u m m a r i z e st h e m i ta l s oi n t r o d u c e ss e v e r a li m p o r t a n tm e r i t so fp a r t i c l es y s t e mi n m o d e l i n gi r r e g u l a rn a t u r a ls c e n e r i e s s e c o n d l nt h i sp a p e rd i s c u s s e st h em e t h o d o ft h r e e - d i m e n s i o n a lf i r es i m u l a t i o nb a s e do n p a r t i c l es y s t e m i td i s c u s s e st h ei n i t i a l i z a t i o na n dv a r i a t i o no ft h ea t t r i b u t e so ff i r ep a r t i c l e s d e t a i l e d l y ，i n c l u d i n gs h a p e ，s i z e ，c o l o r , t r a n s p a r e n c e ，p o s i t i o n ，s p e e d ，l i f ec y c l ea n ds oo n i t a l s od i s c u s s e st h em o t i o na n dr e n d e r i n go ff i r ep a r t i c l e s i tc o n s t r u c t st h ed a t as t r u c t u r e so f p a r t i c l es y s t e m sa n dp a r t i c l e sb yu s i n go b j e c t - o r i e n t e di d e a s 。i td e s i g n st h ef u n c t i o n a l m o d u l e so ff i r es i m u l a t i o ns y s t e ma n dd i v i d e si ti n t of o h i m o d u l e s ：t h ep a r t i c l es y s t e m m o d u l e ，t h ep a r t i c l em o d u l e ，t h et e x t u r em o d u l ea n dt h em o t i o nf i e l dm o d u l e i no r d e rt o e n h a n c et h et h i r dd i m e n s i o n ，w eu s et e x t u r em a p p i n g ，b i t l b o a r d i n ga n dt h ec o l o rm i x t u r e t e c h n i q u e sf o rf i r er e n d e r i n g e s p e c i a l l yi no r d e rt od e s c r i b et h ed y n a m i cw a v e r i n go ff i r e ，f o r e x a m p l e ，i tw a v e r sl e f ta r i dr i g h t ，u pa n dd o w n ，t h em o t i o nf i e l di si n t r o d u c e di n t ot h ef i r e s y s t e m ，w em a i n l yd i s c u s s e st h ee f f e c to fg r a v i t ya n d 诚穗t ot h ef i r e i no r d e rt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fr e a lt i m e ，o nt h eo n eh a n d ，w eu s ee a c hs u r f a c ei ns t e a do f t h ed o tp a r t i c l et o r e n d e rt h ef i r ep a r t i c l e ，s oe v e r ys u r f a c ec a r ls u b s t i t u t eh u n d r e d so f p a r t i c l e s ，o nt h eo t h e rh a n d ， w eu s et h ed y n a m i c a l l yg e n e r a t e di m p o s t e r st e c h n i q u e ，5 0t h es p e e do fi m p l e m e n t a t i o ni s i n c r e a s e d a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h em e t h o d so fi m p r o v i n gr e a lt i m eo fp a r t i c l es y s t e m a r ed i s c u s s e d f i n a l l y , b yu s i n gv i s u a lc h6 0a st h ep r o g r a m m i n gt o o l sa n dt h et h r e e - d i m e n s i o n a l a n i m a t i o ni ss u p p o r t e db yo p e n g l , t h ef u l ls y s t e mo ft h r e e - d i m e n s i o n a lf t r es i r e 珏l a l 黼 b a s e d 。o np a r t i c l es y s t e mi sd e v e l o p e do nw i n d o w sx p o p e r a t i n gs y s t e ma n dt h ee f f e c to f s i m u l a t i o nl o o k sr e a l i s t i c k e y w o r d s ：p a r t i c l es y s t e mf i r es i m u l a t i o n r e n d e r t e x t u r em a p t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技支章 学位论文独创性说明 本入郑重声明：骈黧交的学位论文是我个人农导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其健人或嶷体己经公秀发表或撰写i 遣戆硬究残暴，瞧不钰含为获褥嚣安科技大学 或其他教宵机构的学位躐证书所使厢过的材料。与我同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 攀位论文终者签名：争薹翌日弱：2 0 0 莎，f 、7 q | k f 学位论文知识产权声明书 本人究全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生夜校攻读学位期问 论文工作豹知识产投鼙霞露于嚣安秘技大学。学校舂坟保蟹并起藿家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的众部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复麓手段保存亵汇编零学位论文。溺薄本久绦 纛，毕显焉结合学位论文磷究深 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文镣解密爱遗震本声盟。 学位论文作者签名。守五卫指导教师签名花旺华 2 - 。g 年月7 鼹 1 绪论 l 绪论 l 。l 自然景物搂搬的磺突背景鞫意义 自然景物的生成与模拟是计算机图形学中的一个热门课题。火焰、云雾、闪电、雪 花、雨点、瀑布、浪花、飞沙尘埃、花草树木等动态自然景物的模拟，在航空航天、影 疆广告、装瀵设诗、虚掇场景中寿羞广泛戆应建。 自然景物常常具有极箕丰富的表筒纹理细节和不规则的表萄外形，在对这撩景物的 计算机模拟j 过程中，如果仅仅采用传统的计算机图形学方法对表面细节一一进行造型， 然后再场景绘制、渲染显然不切实际。由于人眼的分辨率和计算机晨示器分辨率是有限 豹，场景孛j 毫分详蘩熬蹋节并不会缮热久对场景暴秘豹瑾惩；势魅，在对诗算飘条箨下 场景的实时缴成时，巨大的计算量往往使之成为图形生成显示的瓶颈。因此，如何简化 且有效地模拟如火焰、瀑布、云等不规则自然景物成为计算机真实感图形生成的关键技 采。 对不簸剿自然景秘懿模撅十分豳娥，原困在于： ( 1 ) 火、烟和云等均系气体现象，其形成都怒由无数小颗糍随机运动而产生的， 外观形状极不规则，没有光滑的表面，丽且极其复杂与随意，并可能随时问而发生变化， 这镬缮蠲经蒸戆敬足里德屈侮学对荬攒述显褥无疑为力，翔瘸壹线、瑟孤零襻条莛线等 去建模，其滔真度就非常麓。 ( 2 ) 几乎每一个人都知道这类现魏，如火焰、烟及云是什么样子，但却很少有人 能够准确地将其形状描述出来，绘它倪下一个确切的定义。 ( 3 ) 火焰等气髂现蓉静运动分篾杂，热火焰忽隐慈现，溺袅袅上舞，云煲| j 虚无 缥缈，同时，在火焰燃烧、烟雾扩散以及云层飘动过程中，还会受到浮力、风力和重力 等的作用，使其发生捉摸不定的变化。 尽管翔鼗，謇肉癸学畿一壹在努力探索，先后援爨了表示火、耀、云等不痰列搂凝 物体的建摸方法，主要有：基于分形几何的建模、纂于过程纹理溺数的建模、藻于物理 过程的建模以及基于粒子系统的建模方法。 基于分形几何的建模方法源于2 0 世纪6 0 年代，m a n d e r b r o t 在研究雪花与巍然界的 海寿线、囱、穗等垂然袋象对，发瑗它们都其有绥苓麓无穷函燕静氢稻餐往，灸了定量 的描述这种性质，他引入了分维数的概念，并系统、深入的研究了海岸线的结构、地貌 的生成等一系列令人瞩目的成果。随后，m a n d e r b r o t 第一次系统地阐述了分形几何的思 想、内窖、：j 爨义秘方法。1 9 6 8 年，l i n d e n m a y e r 姨生物形态学载角发出发，磺究 毽了一 种研究植物形态与生长的并行算法一l 系统方法，并引入了作麓在带括号字符串上l 西安科技太学硕士学位论文 系绞懿尼键勰释，瘸默鞠遥生兹缝织熬缍穗特征鞠艇长形态，嚣分菝弱蘸兹强影h 1 。8 0 年代初，f o t t r n i e r ，f u s s e u 和c a r p e n t e r 将分形图形维向好莱坞影视业，主要影片有星 际施行之二：可罕之怒、最后的星球斗士。1 9 9 1 年，d o n a l d w h o o c k 为实现烟云和 尘土流动图像的模拟提出了基于分形的纹理技术，能研究了烟尘图像鲸分形维与传输距 离或露阗豹交纯关系。1 9 9 3 年，n i s h i t a 等太基予二维分形图豫建立了云豹模溪，疆生 成从空中俯视地球的图像。1 9 9 6 年，n i s h i t a 和d o b a s h i 等人应用分形理论并结合m e t a b a l l 技术，提出了云的三维模裂。 在基予l 窭程纹理丞鼗魏建模方法中，毖较典型瓣是1 9 8 9 年i n a k a g e 蘑纹璞淡魃鹣方 法实现了二维火焰的简单模型翻，即需凄绘制出表筒上一点对，通过将三维点转换为二 维纹理图案中的点来确定此点的颜色，此点的颜色被输入阴影模测来确定表面交点处的 颜色。1 9 8 5 年，p e a c h e y 用一种简单的三维纹理函数首次成功地模拟了木制品的纹理效 聚。英基本慧怒是采震一缀莛李蠡瑟撞鬣来定义俸纹壤遗数，稳邻灏程瑟之瘸点静纹理函 数值交替的取为“明”和“暗”。这样，景物内任点的纹理函数值可根据它到圆柱轴 线所经过的圆柱面个数的衡偶性而取为“明”或“睹”。 在基予甥理过程熬建模方法磋究孛，最旱壶b l i n 矬p l 4 i 于1 9 8 2 车提出了接述云及耀 尘表面的光菠射豳数，随螽k i k u c h i 掇瞧了云粒子鹩动力学仿真。e b e r t 和p a r e n t 结合体 绘制技术和捆描线a 缓存技术，提出了如云、雾和烟等气体现象的绘制和动画算法 5 】， 用基于纹理的紊流模型描述气体。 粒子系绞方法是迄今为盘棱试为模蘩不怒荽模糊垂然景穆壤为戒臻豹一耱生或算 法。1 9 8 3 年，r e e v e sw t 首先提出了粒子系统( p a r t i c l es y s t e m ) 的概念f 6 】，1 9 8 5 年， r e e v e sw t 和b l a u 发展了粒子系统，他们用“v o l u m ef i l l i n g ”基本单元去生成随时间改 变形状但又爨本保持不变施实体，如随风飘动的花擎树叶。此后从理论到技术郯褥到了 避一步发蕊：r e e v e sw t 稳出了关于鞭子系统潜隐绘制鲍算法，称之为“运叛概率往算 法” 7 1 。 一个粒子系统是由大最称为粒子的简单图元构成的，每个粒子都有一组属性，如形 获、大小、簇色、透明凄、爱墨、速癀巍生会麓等。粒子不叛熬羧变形装、不凝运动， 从而表现出祭物的总体形态和特征的动态变化。 粒子系统并不是一个简单的静态系统，随着时间的推移，系统中己有粒子不仅不断 改变形状，不版运动，丽鼹不断有新的粒子加入，并有旧的粒子淤失。为模仿袅长帮死 亡透程，每个粒子筠簸予童余蠲赣，它褥经历窭生、生长、衰老帮援亡的过疆。同靖， 为使粒子系统所表示的景物具有随机性，与粒子有必的每一个参数均受到一个随机过程 的控制。从出生到死亡的阶段中，粒子的各种属性随时问的推移硒发生各种变化，从而 充分薅嚣窭不觏买l 物体熬动态佳和夔撰瞧。r e e v e s 建立了炎壤、爆炸及革的黢子系统蒺 垂，并为愈影星际施行之二：可罕之怒绘翎了行屋系爆炸的场面嘲。下面一节将具 l 绪论 体会绥粒予袈绞方法懿臻究瑷凌。 1 2 粒子系统的研究现状 在国外，1 9 8 5 年，r e e v e swt 研究了挺木的形状结构，用其鸯一定结构关系的粒子， ( 强褥于、褥技、耱野) 构成粒子系统寒箍述秘本、森转、草趣等，捷毒了一释“近 似概率性算法”来代替常规的光照模型。该算法以粒子的空间位鬣和朝向来确定一个粒 子处于阴影饺鼍的概率，并根据这个概率值和一个随机数来确定熟否将该粒子绘制在阴 影区域中，该算法矮子黪决强影、可觅蠢翔题，取缮了缀驽戆效粜：1 9 8 6 年，f o u m i e r a ， 等在研究海浪模型中利用粒子系统模拟了浪花，提出了浪花产生的条件，即粒予运动速 度与海流曲丽传播速度之间的差异要超过一定的阀值，否则产缴泡沫【9 1 ：1 9 8 7 年， r e y n o l d s 在其群体行为研究中，又极大的扩展了粒予系统的功能，菇将其作为一车申建模 王箕。毽提凌了粒子阕穗曩结合静悉憨，鼓磊霞粒予与粒子之闻、粒子与嚣凌之阕送行 交互，并阐明利用大量的简单图元间的交互作用可产生复杂的行为【l0 】：1 9 9 0 年，k a r ls i m s 首先研究了谯c m 一2 超级弗行计算机上实现粒子动碱和绘制的技术，用粒子行为语言描 述粒子动垂绘蠹l 算法，德联霜越子系统麴著霞特点，提出了一释逶予著行实现熟更一般 更灵活的线谯粒子绘露方法h ”，每个线性粒子都由一个头和一个艨定义，头和懑都有自 己的位置、颜色、透明度和半径等特征属性，头和尾中间用切线桐连，所有参数都可由 从头到尾的一个线性插值得到，不透明度从中心的1 + 0 到边缘的0 按线性函数或者高颠 殛数逐灏递减。线往粒予绘裁薅，苕毙将筏子熬头怒位量纛半径转按要屡纂璧薮系，其 次将粒子分制为像素级的簇片，这些藏片包括颜色、透明度和深度信息，然后按深度进 行排序，进行隐画面的计算，得到最终晟示的像素的颜色信息，谶行显示。该系统能绘 巷4 不同形状、大小、颜色、透明度的粒予，并能进弦反走样、消隐、运动模糊的处理。 s i m s 爝这耱方法完成了影片p a r t i c l ed r e a m ，其中截擂火焰、瀑搏及瀑毒等效巢；r e e d 等人用粒子系统成功的模拟了闪电；1 9 9 2 年，l o k e 等人提出了节日焰火的粒予系统绘 制算法【l “，他们采用链表数据结构存储粒子信息，设计了粒子系统绘制引擎( p a r t i c l e s y s t e m r e n d e r i n ge n g i n e ) ，怒粒子薅生戆方法表褒焰火粒子翁辕邃势实褒了多秘焰火熬特 殊效果；s t o l k 和v a n w i j k 提出了面粒子的概念”3 1 ，他们把粒子造型为菲常小的、能反 射有向光源的面片，用这魑面粒子可构造出离散的流面和时面；r i c h a r d 和d a v i d 提出 了基于粒子系统的变形物体表面建模方法【h 】，引入了有向粒子的概念，该方法可实现变 形魏傣表瑟凝开、连接或廷 孛等效栗；1 9 9 8 年，a n d r e a sb a c k e s 簿入研究了较予系统鹃 交互式可视化技术，其核心是显示密度信息。19 9 8 年，m a t t h i a su n b e s c h e i d e n 和a n d r z e j t r e m b i l s k i 运用粒子系统，从云的物理原理出发，结含纹理映射技术建立了云的模型【1 5 1 ； m i l l e r & p e a r c e ，t o n n e s e n 等人聂发了双筏子系统采模数藩滚传一棒鲮或者可熔纯匏赘 质。 西安科技火学硕士学饭论文 在重内，扬滚等【l q 掇褒了基于暴携特薤懿粒子系统建摸技本，它是一静巍震最魏特 征的空间相关性，提取特征点简化粒子系统建模的算法。该算法针对不同的不舰则模糊 景物，首先勾画景物表面特征，抛弃不可见的内部，然后就景物旋面再提取关键点，以 粒子自定义它的属性，表瓣上其余部分媳属性通过空间插僮褥到。詹荣开等l ”硼粒子系 统理论模叛纛熬场景孛豹火焰秘爆壹睾道程，对必蹈穗子终了箍纯，繇将每一个灭箔粒子 视为一个点，并利用其颜色变化来达到火焰的近似效果，用一个平行于世界坐标系x o z 平面作为火焰的粒子发射器。自然界中的火焰一般谯焰心区域其火苗高度较高，根据这 一点提出对火焰粒子弱玺念麓麓入麦裙戆整置决定黪位嚣嚣子撬淤，跌延长火戆区域懿 火焰粒子的嫩命周期。刘浇波等h 8 1 对靛子系统模攒自然景物做了探讨，对粒子的绘制作 了适当的简化。首先，不考虑其它表示方法对粒子系统的影响，对不同方法采用分而治 之的办法分别进行处理后褥合成；其次，在此处把敉予看作发光体，这样可以不考虑阴 影蠢蘧，然麓对粒子采甏深疫饶先秘zb u f f e r 穗结合鹣算法送行撩序，霜露述藏考瘩粒 子的透明性。张芹等 1 9 1 提出了一种新的基于粒子系统的火焰模型，该模型引入了结构化 粒子及表现风力的随机过稷，生成了不同精细程度的火焰图形。 粒子系统最然照够对游态移动态的物体进行模援，两虽模攘豹对象也没鸯髑隈，然 丽，这耱方法一个很大静弱限就是运葵爨和存储量都眈较大，掰戳在实时性方颓受到了 限制，生成的图形将是真实感和实时性的一个折衷，因此如何增强真实感和提高实时性 将是本文研究的重点。 1 3 课题并发环境 本课题在w i n d o w sx p 环境下开发，采用v i s u a lc + + 6 0 为编程工具，三维动画环 境由o p e n g l 支持。 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 捌【烈】是m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o6 0 懿家族戒员之一，它包括 了综合的微软基本类库( m f cl i b r a r y ) ，m f c 库鼹m i c r o s o f t 为利用v c 十+ 开发的 w i n d o w s 应用程序而提供的应用程序樵架，在这个框架的支持下，对于不同的威用程序， 缓程戆主要任务是填写务囊特殊部分躲我玛，这襻霹懿大大减少绽秘工终，毽褥嚣发 w i n d o w s 成蹋程序变得简单而高效；v i s u a lc + + 6 0 提供有复杂蠹白资源编辑器，可以编 辑对话框、浆单、工具栏、图像和其它许多w i n d o w s 应用程序的缀成元素：v i s u a lc + + 6 , 0 还提供了一个非常好的集成开发环境- - d e v e l o p e rs t u d i o ，用它可以在编写c + + 程序 瓣对程序静续筏进行哥税纯豹管理。藏辨，v i s u a lc + 6 , 0 还掇供了一个宠全集成静 d e b u g 工具，可以让你从备个角度来检焱程序中的微小细节。v i s u a lc + + 6 0 不仅仅适用 于w i n d o w s 编程，还为网络编程和数据库编程提供了强大的支持。 o p e n g l 2 2 1 1 2 3 硐( o f ，e 1 1g r a p h i c sl i b r a r y 开放援图影瘁) 是s g i 公司开发戆图形菰 准，是一个阁形硬件的软件接口。再邋一步讲，o p e n g l 实际上就是一个三维瀚形的模 i 绪论 i i i i i i 鍪痒。由予囊在三缝真蜜感图影割终孛爨骞饶秀瓣枝韪，蔹之残凳瑟一代数三绫銎形戆 工业标准，可在w i n d o w s9 5 9 8 、w m d o w sn t 等上趣厢。比较著名的产品，如幼画制作 软件3 d m a x 、s o f ti m a g e 、w j r i dt o o lk i t 、v r 软件和c a m 软件等，都是以o p e n g l 为基础的。o p e n g l 包括1 1 5 个图形函数，开发人爨w 以利用这些姻数来构造爨物模型， 迸零亍三维溪形实跨交互软箨豹开发。o p e n g l 不筏掰驭楚理孳箍豹强形，两嚣埘以蔫于 实时的三维仿真领域，其对环境和实体的渲染达到了高度逼真的视觉效果，从而显示出 强大的生命力。o p e n g l 使用简便、效率高，具有以下七大功能： ( 1 ) 建模： o p e n g l 嚣彩瘁除了疆供基本戆点、线襄多边形戆绘割丞数终，还提 供了复杂的三维物体戳殷复杂曲线和曲面的绘翻函数。 ( 2 ) 变换；o p e n g l 图形库的变换包括基本变挽和投影变换。基本变换脊平移、旋 转、变比和镜像四种变换，投影变抉有平行投影和透视投影两种变换。其变换方法与机 器久运羲学中翡交换方法宠全一致，露穗子减少算法豹运行薅阉，疆毫三维鹜澎懿显示 速度。 ( 3 ) 颜包模式设置；o p e n g l 颜甑模拟有两种，即r g b a 模式和颜色索引。 ( 4 ) 悲照和麓葳设爨；o p e n g l 光鸯辐射光、瑶蠛光、漫反瓣毙帮镜西光，耪震是 用光反射率寐表示的。场景中物体最终反映到人限的颜色是光的红蓝绿分量的发射率相 乘后的颜色。 ( 5 ) 纹理映射；利用o p e n g l 纹理映射功能可以十分逼真地表现物体表颟细节。 ( 6 ) 忿器显示弱謦豫壤强；鍪稼凌麓除了基本稳骛嚣窝像素渎写努，遥挺供混合 ( b l e n d i n g ) 、反走样( a n t i a l i a s i n g ) 和雾化( f o g ) 等特殊图像效果她理。以上三条可使仿 真物更具真实感，增强图形显示的效果。 ( 7 ) 双缓存( d o u b l eb u f f e r i n g ) 动画；双缓存即是：后台缓存计算场景、生成画 覆，蕾台缓露显示后台缓存己画葑的蘧谣。_ l 龟羚，弱鲻o p e n g l 还籀实现深凄暗示( d e p t h c u e ) 、运动模糊( m o t i o nb l u r ) 等特殊效果，从而实现了消隐算法。 1 4 本文研究内容及章节安排 全文共幽六章组成，论文的主要内容和组织如下： 第一章绪论主要介绍了自然景物模拟的国内外研究动态和发展趋势，本课题的选 题背景和意义，粒子系统的研究现状及课题开发环境。 第二章火焰懿摸拟方法对睾凳熬火焰模瓠方法逶行了蘑述、分辑帮总结。详绥介 绍了粒子系统方法的基本思想和基本模型，以及用粮子系统方法建模不规则自然景物的 关键技术和问题，最后阐述了用粒子系统方法模拟火焰的现状。 第三章基于粒子系绞夔三维火焰模攘深入讨论了基于粒予系统懿三缭火焰模整 方法，研究了火焰粒子的产生和初始化、火焰粒子的运动和火焰粒子的绘制。在火焰粒 西安科技走学硕士学位论文 子戆运动孛孳| 入了运动绥，讨论了重力农曩；l 力霹火焰粒子载影镌，在炎焰粒予貔绘馥孛 采用了纹璎映射技术、公告板技术、动态生成视点蓊用特效技术、混色处理技术，既增 强了真实感，又提高了实时性。 第四章系统实现攒据面向对象的思想，设计了粒子系统艨，建立了粒子系统和粒 子懿数据绪稳，将整个火焰模藏系绞分为粒子系统援块、粒子模块、纹理获莺雩模块彝运 动场模块。第三章和第四章是本论文的研究重点。 第五章提高粒子系统实时性的方法探讨主要探讨了提高粒予系统实时住的方法。 第六耄憨缝与疑望瓣全文豹工稳遴行了总绥，并黠今螽懿王终提窭展羹。 6 2 妣焰的模拟方法 2 。1 雩l 言 2 火焰的模拟方法 火焰属于现实世界中的一种常见聚物，但是它属于一种流体景物，模拟起来更具有 形状难以数字化描述、对环境反应敏感、纹理变化随机性强等问题。虽然人们对于火焰 这个运戆含义已经毒羞黪豢清楚款毽黪，毽要是绘宪下一个确螺豹定义帮楚分困难 的。随着近年来研究者对于图形学研究的不断深入，关于火焰的研究，国内外都取得了 一定的成果，对于火焰的模拟算法也不断涌现，主鬻有基于纹理映射的二维火焰模型、 基于扩散过瑕的火焰模型、基于细胞自动枧的火焰模型、模糊算法生成的火焰模型、基 于三维嗓声粒溘流函鼗( t u r b u l e n c e ) 弱攘嫠、基予粒予系统豹炙焰壤蘩缓及撬凳羧莱模羧 火焰的模型，下面将对遮贱火焰模拟方法进行介绍。 2 。2 常见的火焰模拟方法 2 2 1 基于纹理映射的嚣维火焰模型 在国终，i n a k a g e 2 1 用纹理映射构造了二维火焰的简单模型，该模型将三维点转换为 二维绞理鹫患，其羝漫蕨惫取决于鞠影模墅戆建穰方法。这秘方浚难隘获褥其蠢真实感 的运动图像，人工痕迹大，只适用于对图像真实感受求不高的场龠。 2 2 2 基于扩散过程的火焰模型 关于火焰的传播，p e r r y 和p i c a r d 从燃烧学出发，提出了麓涟度传播模羹生成火焰 的方法1 2 “，而c h i b a 等计算了燃烧物体的热交换【2 6 1 ，j o ss l a m 在此基础上，从热力学定 律出发提出了用扩散过程描述火和其它气体现象及其传播的方法【2 ”。j o s 的基本思想是 认为气傣麴魏理特缝震雳隧薄阕霹空闰交纯鳃凌理爨来表示，这黧囊包括气嚣鞭子豹密 度、扩散的速度、温度以及辐射性能，通常这些量之间的关系由著名n a v i e r - s t o k e s 方程 表示。在给定风向条件下，引入扩散方程计算密度和温度变化。这一方法需求解表征火 焰物理特性鲍菲线性方程缀，故难以达到实时性要求。 2 2 3 基于细胞自动机的火焰模型 1 9 9 1 年，p a k e s h i 等提出了基于细胞自动机的火焰模型 2 8 1 ，认为火焰等气体现象都 是圭篱单静缀元橡或的。缝元虽然缀麓擎，毽它 f 】黪缝台形态茅瓣系统霉为到 嚣复杂， 甚至可戬产生无法预测的延伸、变形等复杂形式，以麓于不能简单她化为菜种数学描述。 西安科技太学硕士学位论文 在p a k e s h i 懿火焰模型串，爰一些麓擎戆初始篷秘麓单懿状态转换痰列亲籀述火焰魏动 态变纯，每细胞单元脊三个状态交羹，邸温度、燃料密度和气体流向，透过潋交细胞 变量的初始值，可以得到各种不同的图像。该火焰模型组成如下： ( 1 ) 网格空间的确定，网格点即细胞，如二维嘲格可看作怒平面上一点。 ( 2 ) 麓渡籀透毒个缨蕤戆获态。 ( 3 ) 由一状态( t 时刻) 确定下一状态( 什1 对刻) 的演化规律。 ( 4 ) 给出初始状态。 ( 5 ) 攒定琢境懿侔用。 圈2 1 缭出了实现过稷。 囤2 + 1 缨照叁裁援溅援隧 该方法的缺点是难以明确火焰溢腱、燃籽密瘦芹气体流囱间的关系。d u cq u a n g n g u y e n 等用瑟于物理模型的建模方法模拟了跳动的火焰口9 1 。 2 2 。4 模糯冀法生成黪火焰 模糊算法是绘制图形的一种常用算法，其实就来源于细胞自动机的思想，模糊图像 的方法多用于图像艺术处理，h u g o 3 0 1 就是用模糊算法模拟了火焰和水波。模糊算法产 生兹二维火壤遥真程度虽然不是缀强，健在一些对突嚣重性要求不楚禳裹，僵是遗求实睫 绘割的场合，也是一个不错的选择。缁胞单元图如黧2 j 2 所示： 2 火焰的模拟方法 豳 鞠 2 2 5 基于三雏噪声和湍流函数( t u r b u l e n c e ) 模型 是用一种_ i 垃似描述湍流现蒙的经验模溅。p e r l i n 3 1 1 提出的经验模烈被成功地用于模拟大 胁柏“如朋已( 爿) = 厶f i n o _ i s e r ( tx ) i ( 2 1 ) 其中，x 表示一个纹理空闽点( x ，x 垮，k 为满足下到不等式靛最小整数： 斋 霹粒子懿透骥疫蓬( a l p h a ) ，其中r 、g 、3 表示鞭覆瓣红、 绿、蓝三个分量。粒子颜色的初始值由2 1 4 式确定： 1 6 2 火焰的模拟方法 l n i t i a l c o l o r ( r ，鼠彩= m e a n c o t o r ( r ，g ，嚣) + r a n d o x v a r c o l o r ( r ，g ，彩 l n m a l c o l o r ( a t p h a ) = 1 0f 2 1 4 ) 粒子的亮度是一个从0 变化到1 的实数，0 表示晟暗，1 表示最亮。粒子的初始亮 度最亮，如2 1 4 式所示。 粒予豹纫始速度 粒子的韧始速度由速度大小和速魔方向两部分缎成，初始速度的大小可由2 1 5 式确 定： l i n i t i a t s p e e d = m e a n s p e e d + r a n d o xv a r s p e e d 范1 5 ) 其中，m e a n s p e e d 表示粒子的平均速度，v a r s p e e d 表示粒子速度的随机变化范围。 粒子的生命期 粒子生命朗决定了粒予在系统中存在时间的长矮，描述时间的单位可以是帧数和系 统蓊蠢麓爨麓。磊顿鼗来缮述粒子玺砖麓瓣优点穰麓擎，也易予实现。在第i 枣霆莱令粒 子的生命期可用式2 1 6 采表示： i f e t i m e ( 丁) = l n i t i a l l i f e t i m e t a t t e n u a t i on p e r f r a m e( 2 1 6 ) 其中，i n i t i a l l i f e 7 7 m e 是粒子的裙始生命絮，在粒子生成曼重壶系缓设定。 a t t e n u a t i o n p e r f a m e 是每赖的粒子生命衰减率，表示每经过一帧粒子减少的受禽数。使 用帧数作为粒子生命期单位的缺点是生成图形的复杂度将影响粒予生命期长度，带来时 间单位的不确定性。另外一种方法是采用系统的时钟中断作为粒子生命期单位。这种方 法熬爨点在于搜爱露闻擎位独立于生戏图形嚣复杂发，滂豫了缓篱鲮数终为对闳擎蕴瘊 带来的粒子系统生命期依赖于绘制背景复杂度的缺点，从而提高了图形的真实感。然而， 这种方法的缺点是系统要为粒子生命期设立时钟中断的消息映射，每次时钟中断时系统 部要为每个粒子修改参数，因此也增加了一定的系绫开镇。 ( 3 ) 载予豹运动 新的粒子产生并初始化后，粒子根据初始化时遵度的大小及方向开始在系统运动， 同时，粒子的相关属性也随着时间的变化而不断的改变。粒子的空间位置主要由粒子的 藩一疰置、羧予懿速度秘每枣安戆辩闼翊隰决定。霰竣第 卜l 搴囊与篱i 峻款霹闯阗瓣菇t ， 则第i 帧时粒子的空闯位鬣为： p o s i t i o n x ，+ 1 = p o s i t i o n x 。+ v e l o c i t y x ，a t p o s i t i o n | y i + l = p o s # i o n y l + v e l o c i t y y ；a t p o s i t i o n z i + l = p o s i t i o n l + v e l o c i t y z 。xa t( 2 1 7 ) 粒子的遮度由粒子的初速度和粒子所受的外力和决定，粒子系统中常见的力有；重 力、风力、浮力、粒子之间碰撞产生的力等。为了模拟复杂环境中粒子的运动，可以引 入“场”鳃撅忿，妇重力场、浮力场、鼹力场等。遴过控割这些场麴参数，塞羧铡粒子 的运动轨迹，使粒子按照一定的规律来运动。假设粒子在外力和f 的作用下产生的加速 西蚤科敞大学硕士学位论文 渡羹a c c e l e r a t i o n ，婺蓦第i + l 峻露粒予豹逮痉为： v e l o c i t y + 1 = v e l o c i t y ，+ a c c e l e r a t i o n a t( 2 1 8 ) 其中，v e l o c i t y 和a c c e l e r a t i o n 是三维空间中的矢量。 粒子的其它属性的变化一般由下式计算： p r o p e r t y j “= p r o p e r 黻+ p r o p e r t y d e t t a x a t 辖1 9 ) 其中，p r o p e r t y d e l t a 是属性的变化率。通常根据模拟的对象不同由经验给出。 例如：第i + 1 帧粒子的颜色、透明度、生命期的属性值为： 硝o r ，1 娃= c o 孙r x 1 c o l o r d 8 l | 8 ，x a t c b d ，g + l = c o l o r g 。+ c o l o r d e l t a gx 甜 c o l o r j b 。“= c o l o r h 。+ c o l o r d e l t a b a t a l p h a 。l = 勿触。+ 4 l p h a d e t l a a t 三劳t i m e f + l = l i f e t i m e f 一三i f e 豁m e d e t t a x6 4 ( 2 2 0 ) ( 4 ) 粒子的死亡 粒子在嫩成时就已经被赋予一定的生命期，随瀚时间的推移，粒子的生命期逐渐减 少。递减的方式可以按照鹰一姣的实踩物理对阕递减，迩可以每一帧递减t ，蠢不考虑 帧与顿之间静对闫闻隔。一旦减少为0 ，粒子舞l 被认为死亡，就时，该粒子就会与背景 色融合而消亡。此外，如果粒子的生命值还未减少剿0 ，但粒子处于下列情况之一，粒 子也被认为死亡： 装子游凝色秘透瓣度这羹菜令器袋瑟不麓髯液残察到露； 粒子与其所属粒子系统中心的躐离超出了一定距离时。 ( 5 ) 粮子的绘制 在确定了菜一帧匿馘掰有有生命的粒子的位置辩属性后，就可以秘用光照、阴影和 消隐等延毽技术实蕊粒子鹣绘簇。莓蓊，主要有下鬻西静绘毒l 方法：点粒子绘潮方法、 线性粒子绘制方法、面粒子的绘制方法和随机粒子绘制方法。 2 3 3 粒子系统方法应用于火焰模拟 国外嗣粒子系统方法模拟火焰的研究始于8 0 年代初期，由r e e v e s wt 予1 9 8 3 年首 次提出粒予系统模型，并用其模拟了焰火、爆炸等效果，他还成功的模拟了电影 ( ( s t a r t r c k ：t h ew r a t ho fk h a n ) 中的系列特技镜头。 在国内，杨猿等【强l 撵穗了基于景穆特征豹粒子系统建穰技术，它是一穗髑臻景兹特 征的空间相必性，提取特征点简化粒子系统建模的辣法。该算法针对不同的不舰则模糊 景物，首先勾画景物表面特征，抛弃不可见的内部，然后就景物装面再提取关键点，以 粒子叁定义它戆羼性，表嚣上其余熬分豹属性通过黧阀捶僮褥刭。 詹荣开薄”7 j 用粒子系统理论模掇纛拟场景中的火焰和爆炸过程：根据经典粒子系统 2 火焰的