（计算机软件与理论专业论文）基于粒子系统的瀑布模拟与实现.pdf

中文摘要 自然景物的模拟是计算机图形学中一个重要的研究内容。随着计算机图形技术的发 展，利用计算机对自然界景物的模拟已经成为一个热点的研究课题，也正是因为如此， 自然景物的模拟受到了越来越多研究人员的关注。其在计算机游戏、影视、广告、娱乐、 计算机艺术设计、网上旅游、数字城市、部队训练等领域有着广泛的应用，有着广阔的 发展前景。同时，随着计算机软硬件的飞速发展，也为其提供了强大的集成开发环境。 瀑布粒子系统的研究主要包括以下的过程：一是粒子的定义模型，也就是瀑布粒子 模型的建立。二是粒子的运动，即运动模型的建立。研究粒子的整个运动过程，包括粒 子的产生，粒子的运动，粒子的消亡。三是物理模型，即研究瀑布粒子在运动过程中受 那些外来因素的影响。但是客观景物的模拟过程并不简单，因此如何把前面的模型有机 的结合在一起，实现更加逼真的效果，已成为一个重要的研究方向之一。 本文利用粒子系统的基本原理和物理学的基本知识，在m y e c l i p s e 集成开发环境下， 实现了对瀑布水流系统的模拟。首先分析瀑布粒子，对瀑布粒子进行实体建模。然后分 析其运动规律，进行行为建模。最后根据实际情况运用碰撞检测技术、粒子融合技术和 背景技术进行物理建模。从而实现了瀑布模拟的整个过程。 论文的在结构上首先介绍了一些研究现状和成果，然后阐述了运用的基本理论知 识，接下来是系统建模，最后是编码实现整个系统。 关键词：计算机图形学；虚拟实现：粒子系统；点一线碰撞 英文摘要 i ti sa 1 1i r n p o n a n tc o m e n “os i m u l a t en a n j r a ls c e n e r ) i nc o m p u t c rg r 印h i c s 趟o n gw i 也 t l l ed e v e l o p m e mo fc o m p u t e fg r a p h i c st e c 王1 1 1 0 1 0 9 y ，i ti sah o t s p o tt os i m u l a t en 躺l s c e n e r y b yu s i n gc o m p u t e r ，s oi ti sp a i e da t 亡e 嘣o nt ob ym o r er e s e a r c h e r s i ti sc o m p r e h e n s i v ea p p l i e d i nc o m p u t e r - g 锄e 、f n m 、a d v e r t i s e m e n t 、e n t e r t a i 姗e n t 、a n d e s i g 血n go fc o m p u t e r 、t o u ro n n e t 、f i g u r e c 时、a 衄y - t r a i l l i n ga 1 1 ds oo n t h ef o r e g r o u i l di sv e r y 谢d e a tt h es 锄e ，a l o n g 、 r i t l l t h ed e v e i o p m e mo f h a r d w a r e ，i to f f e r sa s t 】n gc o 功p o s i t i v ee n v i r o n m e n tf o ro p e l l i n gu p t h er c s e a r c ha b o mw a t e r f a l lp a r t c 】es y s t e mi n c l u d e sn l r e ep a n s ：f l r s t ，c o n f i m l i n gt h e p a n c l em o d e l ，s e m n gu p t h em o d e lo ft h ew a t e r f 甜l p a n c l e s e c e n d ，m o v i n g o f 也e p a t i c l e ，s e t t i n gu pt h em o v i n g - m o d e lo ft l l e w a t e 血l lp a n c l e 1 1 1 i sp a nc o n t a i n sb i m lo ft 1 1 e p a n i c l e 、m o v i n go f t h ep a r t i c l e 、d e a do f t h ep a r t i c l e t h i r d ，p h y s i c sm o d e l ，s t u d y i n g 也eo u t s i d e f a c t o r sw h e nt h ep a r t i c l ei s 删n g b u tt 1 1 es i m u l a t i o no ft h ee x t e m a ls c e n e r yi sn o t s i m p l e n e s s ，h o wt om a ：k e 血ef m g o i n gm o d e l sh a l l gt o g e t h e ra n dm a k e 血ee f f 毫c tl i f e l i k ea r e o n eo f t h ei m p o r t a n tr e s e a r c hw a y s 1 n 幽et e x t ，w eu s em eb a s i ct h e o r yo ft h ep a n i c l es y s t e ma 1 1 dp h y s i c s ，o p e nu pi n 廿1 e e n t i r o n m e n to fm y e c l i p s e r e a l i z em es i m u l a t i o no ft h ew a t e r f a l l s y s t e m f i r s t a n a l y s i n g w a t e r 吼lp 矾c l e ，c o n s t r u c t 也er e a lm o d e lo fw a t e r f a l l ，s e c e n d a l y s i n g 也e “e so fm e m n n i n g ，c o n s t r u c t 血er e a lm o d e lo ft h et u 皿i n g l a s t w eu s e t h et e c 王1 1 1 0 1 0 野7o f c o l l i d i n g t e s t 、 p a n i c l e a n l a l g 锄a t i o na i l db a c k g r o u n dt oc o n s t m c tt h er e a lm o d e lo f t h ep h y s i c s s or e a l i z i n g t 1 1 ew a t e r f 砒1s y s t e m a tf 奴，w ei n t r o d u c e 血er e s e a r c l l i n g a c t u a l 时a n dp r o d u c t i o n ，a n dt l e nw ee x p o 吼dt h e b a s i ct h e o r yw i l i c hw eu s e ，f o u n d i n gm em o d e l s a t1 a s t ，t h ew h o l es y s t e mc o m e s 们l eb y c o d i n g ， k e y w o r d s ：c o m p u t e rg r a p h i c s ；v i m l a lr e a l i z i n g ；p a t i c l es y s t e m ；p o i n t - l i n ec o l l j d m g n 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：石磊日期：加髟#学位论文作者签名：b 劢日期：仍莎- 6 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：石磊 日 期：地签：6 ：! ! 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 指导教师签名：翌垒坐 日 期：控堡：! 电话 邮编 东北师范大学硕士学位论文 引言 在自然界中有一些现象，比如雨、雪、霜、烟、火等，它们的形状不断的发生着变 化，表面没有固定的规律，很难用多边形网格来描述它，很难用传统的造型方法来表述 它。针对这些不规则的、模糊的、运动的物体，粒子系统的提出为他们提供了一个有效 的造型方法。粒子系统是计算机图形学的一个重要组成部分，是不规则物体造型的最有 效的算法之一。它由成千上万的微粒组成，在系统运行过程中，每个粒子执行相似的运 算，粒子之侧关联度小。 粒子系统起源于1 9 8 3 年。在这段时间里，它得到了非常迅速的发展。从最初的简单 模拟到引入物理模型，加入碰撞检测，融合技术。其应用领域不断拓展，如虚拟现实、 游戏开发、三维仿真、影视特效、科学计算可视化等领域都用到了粒子系统技术。 飞速发展的计算机软硬件也为它的发展提供了强大的技术上的支持。空前的降低了 人们的劳动强度，以及人力物力的消耗，极大的提升了计算、运算的效率，方便了模拟 绘制的过程。 东北师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ，1 课题的背景与内容 1 1 1 课题研究的背景 随着计算机技术的飞速发展，真实感图形在仿真、动画、计算机美术、科学可视化 等领域的应用越来越广泛，而且对真实感的要求也越来越高。而焰火爆炸、云雾闪电、 瀑布浪花等动态图像的生成一直是计算机图形学领域的一个热点和难点，因为这类物体 是属于不规则的模糊物体，其形状、形态随时间的推移而动态地、随机地发生变化，所 以很难用常规的建模方法和模拟技术来生成。由于这方面的原因，直接实时绘制瀑布的 效果是相当困难的。首先人们对瀑布的理解不完全；而水的物理化学性质的变化也很复 杂；水自身又没有固定的几何外形特征，不能够使用传统欧式几何建模方法；水的运动 规律随时间变化难以预测。因此，水不能用通常的建模方法来实现。 迄今为止，1 9 8 3 年由w t r e e v e s ”1 等首次系统地提出了种用于不规则模糊物体( 如 火、云、水等) 建模的方法粒子系统建模方法，这种方法的思想就是将模糊物体看 作众多粒子组成的粒子团进行绘制。与传统的方法进行比较，我们可以看到粒子系统具 有能实时模拟不规则物体的优势，是模拟不规则模糊物体最为成功的一种图形生成算 法，这使得其在模拟瀑布方面得到广泛发展。此外由粒子系统生成的图像质量高，运算 代价不大，对硬件平台的要求也不高，在图像绘制技术中占有重要地位。 1 1 2 课题研究的内容 论文以粒子系统为主要的理论基础，通过研究粒子系统的基本原理，结合其他的一 些理论，一些技术，例如，碰撞检测技术等。实现对整个瀑布系统的模拟。具体包括以 下几个环节： ( 1 ) 研究的基本理论和技术，主要为计算机图形学，粒子系统，j a v a 语言等相 关知识，为系统实现打下理论基础。 ( 2 ) 搜集资料，整合现有的知识。 ( 3 ) 初步建立起来基本的瀑布粒子模型。 ( 4 ) 在基本粒子模型的基础上，分析粒子的约束条件，建立起来瀑布的运动模 型。 ( 5 ) 在运动模型的基础上，加入瀑布运动的物理模型。 ( 6 ) 编码实现与调试。 ( 7 ) 总结，定稿。 东北师范大学硕士学位论文 1 ，2 课题研究的意义和价值 1 2 1 研究的意义 1 9 8 3 年w t r e e v e s 提出的粒子系统建模方法是被证明了的迄今为止最成功的不 规则物体的模拟方法，现如今该方法基本上已经趋于稳定。但是仍是研究的热点问题。 应用该方法也基本上可以实现在计算机上对烟雾、水花，降雨等等客观环境的模拟。然 而，到目前为止，针对瀑布的应用粒子系统方法的研究还比较少，存在模型不够完善， 背景不够真实，算法相对复杂，运算效率也比较低，约束条件不够完整等诸多方面的不 足。因此定义一个相对完整的瀑布粒子系统很有必要，很有其学术价值和应用价值的。 1 2 2 研究的价值 ( 一) 学术价值 对自然景物的模拟是计算机图形学中最具挑战性的问题之一。虽然现在的理论基础 已经很完善，但是由于自然景物的表面包含丰富的细节或具有随机变化的形状，造型相 对复杂，模拟起来就更加的困难。与山、植物、云、烟雾等相比，瀑布的模拟更显困难。 例如对于云的模拟只需将粒子限定在一定的范围之内，让其在一定的外界约束条件的作 用下移动就可以了，很明显云的移动过程要比水流的过程简单很多。而瀑布的实现则变 得不同，因为瀑布是由千千万万的水粒子构成的，水流运动的形态是千变万化的，更重 要的是如果水流要是与障碍物发生碰撞时会产生至少是水花飞溅的现象，而这种现象的 模拟是很难用传统的造型方法来描述的。因而这种新的造型的方法是值得我们研究的。 ( 二) 应用价值 瀑布等流体的动态模拟可以应用于计算机游戏、影视、广告、娱乐、计算机艺术设 计、网上旅游、数字城市、部队训练等，用以产生各种各样效果，可以节省大量的人力 物力财力，甚至是更加的安全。 如果此模拟方法得以实现，那其应用价值也应该是可以“看到”的。举例来说，比 如一班科学考察人员要到一个具体的瀑布去考察，在没有这个瀑布的详细水流情况的分 析报告的时候，如果该模型成功，则可以在理论上形成一个模型，我们只需要把一些基 本的数据如瀑布的高度，风速等等数据测试到，带到上述的模型中去，就可以得到了一 个相对简单的瀑布概况。因此说该模型的研究有很高的应用价值。 1 3 国内外发展现状 1 3 1 国外的发展现状 计算机图形学是随着计算机及其外围设备而产生和发展起来的。它是近代计算机科 学与雷达、电视及图像处理技术的发展汇台而产生的硕果。1 9 j o 年，第一台图形显示器 作为美国麻省理工学院( m i t ) 旋风i 号( w h i r l w i n di ) 计算机诞生。1 9 6 2 年，m i t 林肯实验室的i v a ne s u t h e r l a n d 发表了一篇题为“s k e t c h p a d ：一个人一机通信的通 行系统”的博士论文，文中首次使用了计算机图形学“c o m p u t e rg r a p h i c s ”这个术语。 2 0 世纪6 0 年代中期，美国m i t 通用汽车公司、贝尔电话实验室和洛克希德公司开展了 东北师范大学硕士学位论文 计算机图形学的大规模研究，同时，英国的剑桥大学等也开始了这方面的研究工作，从 而使计算机图形学进入了迅速发展并逐步得到广泛应用的新时代”1 。 与此同时，2 0 世纪6 0 年代，虚拟实现技术，不规则物体模拟技术也在计算机图形 学的基础上开始发展起来，并且逐步的完善、发展，直到1 9 8 3 年粒子系统建模方法的 提出，使该技术达到了一个前所未有的高度，为以后该方向的发展打下了坚实的理论基 础。 1 _ 3 2 国内的发展现状 我国在开展计算机图形设备和计算机辅助几何设计方面的研究始于2 0 世纪6 0 年代 中后期，起步是比较早的。到2 0 世纪8 0 年代，随着改革开放的发展，计算机图形学无 论在理论研究还是在实际应用的广度和深度方面，都取得了令人可喜的成果。计算机图 形学在我国的应用从2 0 世纪7 0 年代开始起步，经历近3 0 多年的发展，时至今日已经 开始在电子、机械、航空航天、建筑、造船、影视等部门的产品设计、工程设计和广告 影视制作中得到了初步的应用，取得了明显的经济和社会效益。 在建筑工程领域二维交互绘图普及率己达2 0 ，三维方案设计的计算机化已经在甲 级设计院中基本实现。用计算机图形系统做广告和影视片，特别是在动画片方面已经去 得了很大的成功。取得一定成果的同时，差距也是我们所不能忽视的，与国际上的发达 国家相比，除了图形设备和系统价格比较昂贵的原因外，更主要或者说更直接的原因是 我们的人才缺乏严重。这一点严重的制约我们国家在这方面的发展。采取多种途径，多 种渠道，多种方式培养计算机图形学方面的技术人才是摆在我们面前的一项非常紧迫而 又非常有意义的工作。 东北师范大学硕士学位论文 第二章相关理论 2 1 计算机图形学的基本理论 2 1 1 计算机图形学的确立和发展 1 9 j o 年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院( m i t ) 旋风i 号( w h i r l w i n di ) 计算机诞生。为计算机图形学的发展莫定了硬件基础。 2 0 世纪6 0 年代是计算机图形学1 兴起和确立的年代，i v a ne s u t h e r l a n d 发表了一 篇题为“s k e t c h p a d ：一个人一机通信的通行系统”的博士论文，文中首次使用了计算 机图形学“c o m p u t e rg r a p h i c s ”这个术语。论文指出：交互式计算机图形学是一个有 生命力的、有前途的、振奋人心的研究领域，从而确立了计算机图形学作为一个崭新的 学科分支的地位。随后美国各大公司及院校对计算机图形学开始了大规模的研究，使计 算机图形学进入了迅速发展并得到广泛应用的新时代。 随着交互式计算机图形系统的广泛应用，2 0 世纪7 0 年代计算机图形学蓬勃发展， 计算机图形学技术进入实用化的阶段。 2 0 世纪8 0 年代初，计算机图形系统得到了迅速的推广和应用，但仍然是一个小的 学科领域，原因很简单，由于图形设备昂贵、功能简单、基于图形学的应用软件缺乏。 后来出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站。由此推动了计算机图形学的发 展和应用。 到了2 0 世纪9 0 年代，计算机图形学的功能除了随着计算机图形设备发展而提高外， 其自身也朝着标准化、集成化、智能化的方向发展。技术愈加成熟。 多媒体技术、人工智能及专家系统技术和计算机图形学的结合使其应用的效果越来 越好。科学计算的可视化、虚拟现实环境的应用又向计算机图形学提出了更高的要求。 使得三维乃至高维计算机图形学在真实性和实时性方面有了飞速的发展 硬件的发展的同时，图形系统的软件也得到了研究和发展，各种图形方法、图形语 言等逐渐发展成熟并投入使用，是使算机图形学逐渐成为一门成熟的学科。 计算机图形软件系统概括起来主要有下面三种： 1 用现有的某种计算机语言写成的子程序包。这类程序包的基础上开发的图形 程序有利于移植和推广，但是执行的速度相对慢，效率相对低。 2 扩充一种计算机语言，使其具有图形生成和处理功能。这类语言编写的图形 软件比较简练、紧凑、执行速度较快。但是对解释型语言，这类功能的扩充还方便 些；对编译型语言，扩充图形功能的工作量较大，不具备可移植性。 3 专用的图形系统。比起简单的功能语言，它的功能更强；比起子程序包，它 的执行速度较快，效率也高。但是系统开发的工作量很大，移植性比较差。 东北师范大学硕士学位论文 2 1 2 计算机图形学的研究内容和涉及算法 计算机图形学就是用计算机来处理图形，1 9 8 2 年，国际标准化组织i s 0 给出的定义 是：研究用计算机进行数据与图形之间相互转换的方法和技术。同年，美国的j a m e s f 0 1 e y 在他的著作中给出了下面的定义：计算机图形学是运用计算机产生、存储、处理 物体和物理模型及它们的图画的一门学科。 从定义中我们可以看出，计算机图形学这门新兴的学科所要涉及和探讨的主要问题 是用计算机进行图形信息的表达、输入、存储、显示、输出、检索、变换及图形运算等。 具体的说，大致有以下这些内容： ( 1 ) 图形的输入：研究如何把要处理的图形输入到计算机内，以便让计算机进行各 种处理； ( 2 ) 产生图形的算法：研究在显示器或其他输出设备上产生图形的各种新方法； ( 3 ) 图形的数据结构：研究图形在计算机内的表示方法： ( 4 ) 图形的变换：研究图形的各种几何变换； ( 5 ) 图形的运算：包括图形的分解，组合等； ( 6 ) 图形的语言：研究具有各种图形处理功能的语言： ( 7 ) 图形软件的标准化：研究图形软件像高级语言那样与具体设备无关。 因此，总体来说，计算机图形学应该解决和研究下列一些问题： ( 1 ) 图形表示数学方法及其实现的计算机算法； ( 2 ) 设计一个好的图形软件系统： ( 3 ) 设计与实际应用相结合的图形应用系统。 计算机图形学不仅涉及到计算机各个学科，同时也涉及到诸如线性代数、计算几何、 制图学、光学等多门学科。它既是理论性很强的学科，同时也是实践性的学科。 计算机图形学所涉及的算法是非常丰富的，围绕着生成、表示物体的图形图像的准 确性、真实性、实时性，其算法可分为以下几大类： ( 1 ) 基于图形设备的基本图形元素生成算法。 ( 2 ) 基本元素的几何变换，投影变换，窗口裁剪等。 ( 3 ) 自由曲线和曲面的插值、拟台、拼接、分解、过度、整体修改、局部修改等。 ( 4 ) 图形元素的求交与分类以及集合运算。 ( 5 ) 隐藏线、面消除以及具有光照颜色效果的真实图形显示。 ( 6 ) 不同字体的点阵表示，矢量中、西文字符的生成及变换。 ( 7 ) 山、水、云、雾、烟等模糊景物的生成。 ( 8 ) 三维或高维数据场的可视化。 ( 9 ) 三维物体的实时显示和图形的并行处理。 ( 1 0 ) 虚拟现实环境的生成及控制算法。 多年来围绕这些算法发表了许多的学术论文和报告，进行了十分热烈的讨论和探 索，其中很多算法日趋成熟和完善。但是很多的算法还没有真正的解决，还有待后人的 努力。 6 东北师范大学硕士学位论文 2 1 3 计算机图形学的应用前景 计算机图形学的应用前景是相当广泛的“。这里给出一些主要的有代表性的应用领 域： ( 1 ) 智能c a d 。 c a d 发展的智能化趋势。就目前流行的大多数c a d 软件来看，主要功能是支持产品的 后续阶段工程图的绘制和输出，产品设计功能相对薄弱，利用a u t o c a d 最常用的功 能还是交互式绘图，如果要想进行产品设计最基本的是要用其中的a u t o l i s p 语言编 写程序，有时还要用其他高级语言协助编写，很不方便。而新一代的智能c a d 系统可以 实现从概念设计到结构设计的全过程。 ( 2 ) 计算机辅助设计与制造。 c a d c a u 是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。计算机图形学被 用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电 厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。在电子工业中，计算机图形学应用到 集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。一个复杂的 大规模或超大规模集成电路板图根本不可能用手工设计和绘制，用计算机图形系统不 仅能进行设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，把其结果直接送至后续工艺进 行加工处理。 ( 3 ) 计算机动画艺术。 计算机动画技术的发展是和许多其它学科的发展密切相关的。计算机图形学、计算 机绘画、计算机音乐、计算机辅助设计、电影技术、电视技术、计算机软件和硬件技术 等众多学科的最新成果都对计算机动画技术的研究和发展起着十分重要的推动作用。计 算机动画的一个重要应用就是制作电影特技，可以说电影特技的发展和计算机动画的发 展是相互促进的。 ( 4 ) 科学计算可视化。 科学技术的迅猛发展，数据量的与日俱增使得人们对数据的分析和处理变得越来 越难，人们无法从数据海洋中得到最有用的数据，找到数据的变化规律，提取最本质 的特征。但是如果能将这些数据用图形的形式表示出来，情况就不一样了，事物的发展 趋势和本质特征将会很清楚地呈现在人们面前。 ( 5 ) 用户接口。 用户接口是人们使用计算机的第一观感。 ( 6 ) 计算机辅助教学。 计算机图形学已经广泛应用于计算机辅助教学系统中，它可以使教学过程形象、生 动、直观，极大的提高了学生的学习兴趣和教学效果。 ( 7 ) 绘制勘探、测量图形。 计算机图形学被广泛的用于绘制地理的、地质的以及其他自然现象的高精度勘探、 测量图形。 ( 8 ) 过程控制及系统环境的模拟。 东北师范大学硕士学位论文 用户利用计算机图形学实现与控制或管理对象间的相互作用。 2 2 粒子系统的基本理论 粒子系统作为计算机图形学的一个重要的分支正在被越来越广泛的应用。近年来， 诸如雨、雪、烟、火焰等自然景物的模拟一直是计算机图形学中最具挑战性的课题之一， 由于自然景物的形状随机变化，表面往往含有丰富的细节，很难用传统的解析曲面来描 述“，其模拟在计算机游戏、影视、广告、视景仿真等各种领域中有着广泛的用途。1 9 8 3 年，r e e v e s 首次提出了粒子系统，其优点在于可以用简单的体素来构造复杂的物体，从而 为自然现象的造型提供了强有力的技术手段。具体的应用流程如图2 2 1 图22 1 粒子系统流程图 2 2 1 基本概念与基本思想 粒子系统( p a r t i c l es y s t e m ) 是迄今为止被认为模拟不规则模糊物体最为成功的 种图形生成算法。粒子系统采用了一套完全不同于以往造型、绘制系统的方法来构造、 绘制景物，它并不是一个简单的静态模型，而是一种过程计算模型。如果存在有效的物理 模型或生理模型，物体的行为建模将变得十分简单，只要实现当前的几何模型即可。 个粒子系统通常由许多个称为粒子的简单体素构成，每个粒子均具有形状、大小、位置、 颜色、透明度、运动速度、运动方向、生命周期等属性，而一个粒子究竞有什么样的属 性，主要取决于粒子系统用来模拟什么。粒子系统是不断进化的，动态变化的，随着时 间的推移，系统中不断有新粒子的加入，旧粒子的死亡，系统中“存活”的粒子其位置 及生命值亦随时间变化而变化，其正常运行的关键是确定粒子的初始属性、粒子的变化 规律和绘制等因素。粒子系统的这些属性与变化规律的可控性使粒子系统可以用来模拟 许多动态自然景象( 如雨、雪、烟、云、火焰等) 。 粒子系统方法的基本思想是将许多简单形状的微小粒子作为基本元素聚集起来，形 成一个不规则的模糊物体，从而构成一个封闭的系统粒子系统。粒子系统并不是一 个简单的静态系统，随着时间的推移，系统中已有的粒子不仅不断改变形状，不断运动， 东北师范大学硕士学位论文 而且不断有新的粒子加入，并有旧的粒子消失。为模拟生长和死亡过程，每个粒子被赋 予一定的生命周期，它将经历生长，成长，衰老和死亡的过程。同时，为使粒子系统所 表示的景物具有良好的随机性，与粒子有关的每一个参数均将受到一个随机过程的控 制。粒子系统方法的这一特征，使它充分体现了不规则模糊物体的动态性和随机性，很 好地模拟了火、云、水、森林和原野等自然景物。 2 2 2 粒子的描述 在粒子系统中，不同的粒子的初始化方式和更新方式会有所不同，其余的模块具有 通用性，如粒子的移动、颜色的改变、重力对粒子的作用、弹跳等。粒子系统还常用以 下值来反映粒子当前状态的属性”： ( 1 ) p o s i t i o n ：粒子当前在空间中的位置。 ( 2 ) f r o n t p o s i t i o n ：粒子先前的位置。该值可能用来在粒子的当前位置和以前的位置之 间绘制粒子。 ( 3 ) v e l o c i t y ：粒子的运行速度，包括不同方向的速度。 ( 4 ) c 0 1 0 r ：粒予的颜色。粒子颜色的变化常常可以产生一些真实的效果，如烟火。 ( 5 ) e n e n g y ：粒子的能量。粒子能量的衰减常常用于物体的弹跳直至最后静止，也可以 用来判断一个粒子的消亡。 ( 6 ) s i z e ：粒子的大小。粒子的大小影响了一个粒子系统可以表现的效果以及运行的速 度。 ( 7 ) s h a p e ：形状。整个运动过程中粒子的形状，如圆型，线型等。 ( 8 ) a i i l a l g 锄a t i o n ：运行过程中粒子间是否发生融合。 ( 9 ) l i f e t i m e ：生命周期。粒子运行的时间周期，什么时间产生粒子，什么时间删除位 置，什么时间补充粒子。 ( 1 0 ) o u t s i d e f o r c e ：外界影响。粒子在生命周期内可能受到的外界影响因素。 2 2 3 粒子的生命周期 随着时间的变化，每个粒子必须经过四个阶段 ( 1 ) 粒子的产生： ( 2 ) 粒子的运动： ( 3 ) 碰撞检测； ( 4 ) 粒子的消亡。 流程图如2 2 2 9 东北师范大学硕士学位论文 图2 2 2 粒子生命周期流程图 在粒子生命期的每一刻，都要完成以下五步工作： 1 ) 粒子源产生新粒子并畈予粒子属性后加入系统中。 2 ) 根据粒子的动态属性对粒子进行移动和变换，同时更新粒子属性。 3 ) 判断粒子的生命值。 4 ) 删除那些己经超过其生命周期的粒子。 5 ) 绘制并显示由有生命的粒子组成的图形。 2 2 4 粒子的绘制 粒子系统表达的物体越真实，粒子的数量就越多，其代价是代码量大。为了能够流 畅、真实地模拟复杂的三维景观，粒子系统的设计必须满足以下要求： 1 ) 实时效果 粒子系统a p i 设计最基本的目标是能够实时模拟动态景观。它要求粒子系统效率非 常高，c 即尚有大量剩余时间完成其他运算。 2 ) 灵活性 用户能够灵活地使用粒子系统a p i 创建不同的动态效果。粒子系统a p i 必须具有通用 性，由许多子模块构建各种不同场景效果。 东北师范大学硕士学位论文 3 ) 参数独立性 实现一个复杂场景需要调用很多个a p l 函数，用户不可避免地要设置大量的参数， 所以参数的逻辑层次要清晰，并且独立于外部系统。 4 ) 模拟质量的可伸缩性 可以通过调节参数或者调用不同的a p i 调整虚拟场景的模拟精确度，应用程序开发 人员能够根据不同的效果要求来制定不同的精确度。 j ) 可学习性和可扩展性 粒子系统a p i 对于应用程序开发人员来说易学习使用，并且可对其进行必要的修改 扩展，以适应不同虚拟现实系统开发的需要。 通常用粒子系统绘制画面包括以下几个步骤： ( 1 ) 产生新的粒子加入系统中； ( 2 ) 赋予每一粒子一定的属性； ( 3 ) 删除那些己经超过生命周期的粒子； ( 4 ) 根据粒子属性的动态变化对粒子进行移动和变换； ( j ) 绘制并显示由有生命的粒子组成的图形。 其中步骤( 3 ) ，( 4 ) ，( 5 ) 不停地循环形成了物体的动态变化过程。 2 2 5 粒子系统的分类 从应用的的角度我们可以把粒子系统分为3 大类： ( 1 ) 随机粒子系统。主要通过可控制的随机过程控制粒子属性的变化，可用来生成火、 烟、灰尘、爆炸等场景图像：降雨现象没有一定的结构，模拟时不需考虑雨粒子之间的 相互作用，宜采用随机粒子系统进行模拟。 ( 2 ) 结构化粒子系统。主要用来模拟具有一定结构的物体或现象，如树、草、云、彩虹 等： ( 3 ) 方向粒子系统。考虑粒子间的相互影响，粒子除了具有速度和位置等动态属性外 还必须有方向属性，可用来模拟织物、可变形物体和刚体等。 2 2 6 常见的粒子运动模型 粒子运动中粒子产生的时候都具有一定的初始属性，粒子作为质点，按照动力学的 规律进行运动。以下是几种常见的运动形式： 直线运动。 粒子的位置和速度变化遵循下面的原则。p = p 0 + ，v d t ，v = v 。+ ，a d t 。 其中p 为粒子位置，r 为粒子初始位置，v 为粒子速度，v 0 为初始速度，a 为粒子加速 度。 阻尼运动。 在当前运动方向上的粒子根据阻尼的作用，其速度根据某种比例减少，一般取v = v 0 ( 1 一d t ) 。其中d 为阻尼运动的阻尼因子，d o ，1 。 东北师范大学硕士学位论文 螺旋运动。 螺旋运动能按照给定轴进行旋转，以产生粒子的翻滚等效果，使速度方向发生改变。 反弹运动。 反弹运动能改变粒子运动速度的大小与方向。对于无能量损失的反弹运动，类似于 光的反射v 。= v 一2 ( v 。n ) n ，其中n 为反射面的法向量。 2 2 7 粒子系统的发展现状 粒子系统开发现状：自1 9 8 3 年r e e v e s 提出粒子系统以来，已有许多利用粒子系统模 拟自然现象的工作，这其中就包括水流的模拟。p e a c h e y 和f o u r n i e r 等人运用粒子系统 模拟了风吹波浪和海浪所形成的水花。g o s s 运用粒子系统实时地模拟了船行驶时所形成 的轨迹。万华根“2 等人采用粒子系统，通过求解流体力学中的n a v i e r s t r o k e s 方程的特 例，模拟了喷泉的水流运动。s i m o n 等人从光线在海水中的传播规律出发，引入一个复杂 的光照模型来模拟海面。 早在1 9 8 3 年r e e v e s 就提出用粒子系统模拟瀑布的效果，随后s i m s 和a l e xh e n g 。1 等 人利用粒子系统模拟瀑布在重力场中与障碍物碰撞的运动。由于a l e xh e n g 等人的方法 是将每个粒子与场景中的每个障碍物都进行碰撞检测，故算法的效率不高；而且没有对 水花进行渲染，真实感不强。 国内对粒子系统的研究较少，主要是对已有方法和理论的应用研究，但没有较大的 突破。粒子系统早期的应用主要是生成各种粒子图像，之后再与其他景物的图像合成。 后期随着计算机硬件性能的提高和软件算法的成熟，己有不少实时生成粒子及其场景图 像的实例1 。 2 3 虚拟现实技术 2 3 1 虚拟现实技术的概述 1 9 6 5 年，s u t h e r l a n d 在一篇名为终极的显示的论文中首次提出了包括具有交互 式显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从那时开始人们开始了 对虚拟现实系统的研究和探索。2 0 世纪8 0 年代初，美国的j a r o nl a n i e r 正式提出了 “v i n u a lr e a l i t y ”虚拟( 现实) 技术的概念。也是在这个时期，美国宇航局及美国国 防韶组织了一系列有关虚拟显示技术的研究，并取得令人瞩目的成果，从而引起了人们 对虚拟实现技术的关注。2 0 世纪9 0 年代随着计算机软硬件技术的发展，基于大型数据 集合的实时动画制作成为可能，为虚拟实现的发展打下了良好的基础”“。 虚拟现实技术亦称灵境技术，即用计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环 境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真 的虚拟环境”。，从而使得人们在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。 虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t yt e c h n 0 1 0 9 y ) 是一项综合集成技术，它的出现是 计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人机接口技术以及人工智能技术等交叉与 综合的结果。它利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、嗅觉等各种感觉，使用户通过 适当装置，自然地对虚拟现实世界进行体验和交互作用。简单地说，虚拟现实技术就是 f 2 东北师范大学硕士学位论文 用计算机创造现实世界”。 实际应用的虚拟现实系统可分为四类： 1 ) 桌面虚拟现实系统，也称窗口中的虚拟现实。 它可以通过桌上型机实现，所以成本较低，功能也最简单，主要用于c a d ( 计算机 辅助设计) 、c a m ( 计算机辅助制造) 、建筑设计、桌面游戏等领域。 2 ) 沉浸虚拟现实系统，。 如各种用途的体验器，使人有身临其境的感觉，各种培训l 、演示以及高级游戏等用 途均可用这种系统。 3 ) 分布式虚拟现实系统。 在因特网环境下，充分利用分布于各地的资源，协同开发各种虚拟的现实。它通常 是浸沉虚拟现实系统的发展，也就是把分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统通过因特 网连接起来，共同实现某种用途。美国大型军用交互仿真系统n p s n e t 以及因特网上多 人游戏m u d 便是这类系统。 4 ) 增强现实又称混合现实系统。 它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂真实环境的 开销( 因为部分真实环境由虚拟环境取代) ，又可对实际物体进行操作( 因为部分系统 即系真实环境) ，真正达到了亦真亦幻的境界，是今后发展的方向。 2 3 2 虚拟现实技术的应用前景 虚拟现实技术的应用极为广泛，h e l s e l 与d o h e r t y 在1 9 9 3 年对全世界范围内已经进 行的8 0 j 项虚拟现实研究项目作了统计，结果表明： 目前在娱乐、教育及艺术方面的应 用占据主流，其次是军事与航空，医学，商业，另外在可视化计算、制造业等方面也有 相当的比重”。 ( 1 ) 医学。 虚拟现实技术应用大致上有两类。一是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体 模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。 ( 2 ) 娱乐、艺术与教育。 丰富的感觉能力与3 d 显示环境使得虚拟现实技术成为理想的视频游戏工具。由于 在娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故近些年来虚拟现实技术在该方面发展 最为迅猛。 ( 3 ) 军事与航天工业。 模拟与练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为虚拟现实技术提供了广 阔的应用前景。 ( 4 ) 商业。 虚拟现实技术常被用于推销。例如建筑工程投标时，把设计的方案用虚拟现实技术 表现出来，便可把业主带入未来的建筑物里参观。因为用虚拟现实技术展现这类商品的 魅力，比单用文字或图片宣传更加有吸引力。 1 3 东北师范大学硕士学位论文 ( j ) 科技开发。 虚拟现实技术可缩短开发周期，减少费用。例如克莱斯勒公司1 9 9 8 年初便利用虚 拟现实技术，在设计某两种新型车上取得突破，首次使设计的新车直接从计算机屏幕投 入生产线，也就是说完全省略了中间的试生产。 以上仅列出虚拟现实技术的部分应用，可以预见，在不久的将来，虚拟现实技术将 会影响甚至改变我们的观念与习惯，并将深入到人们的日常工作与生活。 东北师范大学硕士学位论文 第三章系统模型的建立 3 1 本文采用的技术路线 在构建模型方面，本文参照了真实瀑布的结构数据和运动数据，得出了瀑布的粒子 模型，利用数学公式和物理公式进行推导，得出了瀑布粒子系统的运动模型。同时为了 使构建的瀑布模型更加的真实，本文还结合粒子的碰撞检测技术和粒子的融合技术，背 景技术建立起瀑布粒子系统的物理模型。 在系统实现方面，本系统以m y e c l i p s e 为开发平台，采用j a v a 语言，运用软件技术 来实现。j a v a 语言有其自身的优势及其特点：面向对象程序设计语言、平台无关性、分 布式、健壮、安全等等。面向对象技术以其封装性、继承性及多态性为人所认识。整个 系统经过了理论和可行性分析，编码设计，系统调试等主要阶段。严格按照软件开发的 全过程进行。 3 2 瀑布粒子模型 3 2 1 定义 定义1 ：( 粒子，p a 九i c l e ) 定义为实数域上的一个n 维向量，表示为： p a r t i c l en = a t t r i b u t e l ，a t t r i b u t e 2 ，a t t r i b u t e nn 3 ，n n ) 其中，a t t r i b u t e l ，a t t r i b u t e 2 ，a t t r i b u t e n 是粒子的n 个属性。 定义2 ：瀑布粒子是一个具有初始位置、初始速度、生命周期、尺寸、质量、形状、颜 色、下落高度等属性的粒子。表示为： w a t e r f a l ln = p o s i t i o n ，v ，l i f e t i m e ，s i z e ，m s s ， s h a p e ，c o l o r ，h e i g h t ) ， n = 8 定义3 ：( 粒子系统) 为有限个粒子组成的有限集合，表示为： s e ti = p a r t i c l eil i n ) 定义4 ：瀑布粒子系统定义为一组由瀑布粒子组成的有限粒子集合。表示为： w a t e r f a l l s e t = fw a t e r f a l lii n1 。 3 2 2 粒子属性的分析 利用粒子系统方法模拟瀑布的显示，关键是如何采用合理的数据结构和代码模拟 出瀑布显示的各种特性和效果。瀑布显示的特性有很多，例如颜色、形状、大小、速度、 位置等；瀑布显示的特殊效果包括碰撞、融合、背景等，下面分别来讨论。 颜色颜色是瀑布显示中一个一般的特性。在实际瀑布显示中，根据水流的情况，瀑布 粒子的颜色主要有两种：白色和淡蓝色。 透明度在实际的瀑布显示中，由于粒子本身的颜色变化不大，受阳光的影响比较小。 东北师范大学硕士学位论文 此属性在烟花和烟雾中应用比较多。粒子诞生时，被赋予初始的透明度值，当粒子开始 死亡时，改变粒子的透明度，使粒子随着时间的变化变得更加透明，直至消失，得到逼 真的显示效果”“。 大小随着粒子的运动，它的尺寸逐渐变化，这可以通过在粒子特性描述中增加粒子尺 寸大小和尺寸增量两个变量实现。粒子尺寸大小特性，表示同标准粒子相比，这个粒子 大多少倍，小多少倍，标准粒子的大小用像素表示，它与实际的物理设备的分辨率有关。 运动粒子诞生时，被畎予初始位置和初始速度，之后，粒子不断运动，到达新的位置， 得到新的速度。 生命周期生命周期可以用粒子存在的帧数表示。在粒子诞生时，就赋予它固定的生命 周期。对于不同的粒子，可以使他们的生命周期略有不同。随着时间的进行，当某些粒 子的年龄达到生命周期时，他们就应该死亡，从链表中删除。一个粒子的消失不