基于粒子系統(tǒng)的飛行特效模擬

陳俊麗, 徐蔚峰, 黃 炳, 萬旺根

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,上海 200072)

基于粒子系統(tǒng)的飛行特效模擬

陳俊麗, 徐蔚峰, 黃 炳, 萬旺根

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,上海 200072)

基于粒子系統(tǒng)理論,提出飛機(jī)尾焰建模方法,采用紋理映射技術(shù)、多細(xì)節(jié)層次 (levelsof detail,LOD)技術(shù)對尾焰粒子進(jìn)行實(shí)時渲染,加快了渲染速度,增強(qiáng)了真實(shí)感.仿真結(jié)果表明,生成的飛機(jī)尾焰效果真實(shí),具有良好的實(shí)時性,可在普通的 PC機(jī)上流暢運(yùn)行,同時給出了雨和雪的特效仿真.

粒子系統(tǒng);紋理映射技術(shù);實(shí)時渲染;多細(xì)節(jié)層次技術(shù)

在虛擬飛行中,存在飛機(jī)飛行產(chǎn)生的尾焰,以及雨、雪等復(fù)雜的自然景象,這些景象可顯著增強(qiáng)虛擬場景的“沉浸感”.在視景仿真中,可將尾焰、煙和雨、雪等稱為特殊效果 (特效).由于特效具有不規(guī)則性和動態(tài)隨機(jī)性,因此,對特效進(jìn)行實(shí)時逼真的模擬是目前計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)領(lǐng)域的一個難點(diǎn).

近年來,國內(nèi)外研究人員根據(jù)不同的仿真需求提出了一系列特效的仿真與渲染方法.按照建模方式可分為基于個體生長的模型和基于物理的模型[1-2].基于個體生長的建模方法利用視覺形態(tài)特征獲得對象的視覺形狀,而不需要模擬對象生成的真實(shí)物理過程,常用的方法有體過程法[3]、分形法[4-5]和粒子系統(tǒng)法[6-8].體過程法采用噪聲 (如 Perlin噪聲)函數(shù)來模擬特效的復(fù)雜性,并且對場景中的每一個元素采用相同的渲染技術(shù),計(jì)算量大,難以用來產(chǎn)生實(shí)時動畫;分形法采用迭代或遞歸的方法結(jié)合變形球進(jìn)行個體生長計(jì)算,適合于生成靜態(tài)的精細(xì)圖形.相對前面 2種方法,粒子系統(tǒng)的方法直接模擬讀寫內(nèi)的粒子,并賦予粒子大小、位置及顏色等屬性,觀念直接,較容易控制對象的形狀,適合于實(shí)時飛行視景仿真.此外,基于物理的建模方法是通過仿真云的氣象學(xué)生成過程來建立對象的模型,由于需要過大的計(jì)算量而不適用于目前的圖像學(xué)仿真.

傳統(tǒng)的飛機(jī)尾焰模擬方法是將二維圖像的顏色值轉(zhuǎn)化成紋理數(shù)組,通過物體空間坐標(biāo)和二維紋理空間坐標(biāo)之間的變換,將紋理元素映射到飛機(jī)尾部三維圓錐或圓臺表面,從而形成尾焰.由于映射是二維的,因此,視點(diǎn)的變化、飛行路線和距離的變化都會使得這種方法難以對尾焰的大小、形態(tài)作出準(zhǔn)確的描述,從而極大地影響了畫面的真實(shí)感.本工作采用粒子系統(tǒng)來生成飛機(jī)尾焰,研究了尾焰粒子的初始化、更新和消亡,利用紋理映射技術(shù)、多細(xì)節(jié)層次(levels of detail,LOD)技術(shù)進(jìn)行渲染,從而增強(qiáng)了生成尾焰的真實(shí)感,并具有良好的實(shí)時性.

1 粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)是用于不規(guī)則模糊物體建模及圖像生成的一種方法,其基本思想是把模糊物體定義為由成千上萬個運(yùn)動的、不規(guī)則的、隨機(jī)分布的粒子組成的粒子集.每個粒子均有一定的生存期及其他屬性(如顏色、形狀、大小、速度等).粒子在不斷運(yùn)動的過程中改變形狀,從而表現(xiàn)出景物的總體形態(tài)和特征的動態(tài)變化.粒子系統(tǒng)充分體現(xiàn)了模糊物體的動態(tài)性和隨機(jī)性,可以很好地模擬出雨、雪、云、飛機(jī)和導(dǎo)彈尾焰、爆炸煙霧等模糊對象.利用粒子系統(tǒng)進(jìn)行物體模擬的流程如圖 1所示.

圖 1 粒子系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow char t of par ticle system

2 基于粒子系統(tǒng)的飛機(jī)尾焰模擬算法

2.1 飛機(jī)尾焰粒子屬性的初始化

粒子系統(tǒng)中的每一個粒子都具有一系列不同的屬性,包括粒子的尺寸、位置、運(yùn)動速度、壽命、顏色、生存期等.所有這些屬性都是時間 t的函數(shù),可通過粒子狀態(tài)隨時間變化的過程來表現(xiàn)動態(tài)的尾焰.

尾焰粒子的初始化工作是在粒子發(fā)射器中完成的.粒子發(fā)射器負(fù)責(zé)生成和發(fā)射粒子,控制粒子的數(shù)量和粒子的初始化.本研究將粒子發(fā)射器設(shè)計(jì)成一個半徑為 R的圓,該圓的直徑和飛機(jī)的排氣口直徑相同.各個粒子的初始位置均勻排列在該圓周上,且沿著一定的角度θ向外散射,形成一個圓臺的形狀.考慮尾焰的真實(shí)性,取θ=10°,如圖 2所示.

圖 2 噴射尾焰的圓臺形狀示意圖Fig.2 Schematic d iagram of the round table shape of the jet f ire

粒子發(fā)射器產(chǎn)生粒子后,要指定每個新產(chǎn)生的粒子的屬性.粒子的屬性初始化主要包含初始位置和速度、初始顏色、生存期.

2.1.1 初始位置和速度

假設(shè)圓臺的上底圓周的中心坐標(biāo)為O(x,y,z),底圓周面與 xz面平行,則第 i個粒子的初始位置P0(xi,yi,zi)可按下式計(jì)算:

式中,α=rand(·)×2π,rand(·)為[-1,1]上均勻分布的隨機(jī)函數(shù).

尾焰粒子的初始速度是具有方向和大小的矢量,隨時間和空間隨機(jī)變化.設(shè)已知尾焰的平均速度為 Vm,速度變化為ΔV,則粒子的初始速度 V為

V=Vm+rand(·) ×ΔV. (2)

2.1.2 初始顏色和亮度

粒子的初始顏色分量包括粒子的三元色 C(R,G,B),粒子的初始顏色值為

C0(R,G,B)=Cm(R,G,B)+rand(·) ×Cvar(R,G,B), (3)

式中,Cm(R,G,B)為尾焰顏色的平均值,Cvar(R,G,B)為尾焰顏色方差.

尾焰粒子的亮度可由透明度β來表示.β是一個從 0到 1變化的實(shí)數(shù),0表示最暗,1表示最亮.粒子的初始亮度為最亮,即β0=1.

2.1.3 生存期

火焰粒子的生存期表征了其在屏幕上停留的時間,用幀數(shù)表示.速度一定時,生存期決定了粒子上升的最大高度.若尾焰的平均長度為 H0,粒子的平均速度為 V,粒子的平均生存期為

則粒子的生存期為

式中,Tvar為粒子生存期方差.

2.2 尾焰粒子的屬性更新

粒子在三維空間中不斷運(yùn)動,其屬性也同時發(fā)生變化,粒子屬性可表示為

Fj+1=Fj+ΔF ×Δt, (6)

式中,Δt為第 j+1幀與第 j幀的時間間隔,Fj為粒子 j的當(dāng)前屬性值,ΔF為對應(yīng)屬性參數(shù)的變化率,

式中,Fend為粒子屬性的終值,可動態(tài)調(diào)整該屬性值.

粒子的位置、速度、顏色、大小、生存期等屬性都可以根據(jù)式 (6)和 (7)來更新.例如,第 j+1幀的粒子的速度和顏色的屬性值分別為

Vj+1=Vj+ΔV ×Δt, (8)

Cj+1(R,G,B)=Cj(R,G,B)+ΔC(R,G,B)×Δt. (9)

2.3 尾焰粒子的消亡

隨著時間的推移,粒子的當(dāng)前屬性值隨之變化,當(dāng)粒子生存期結(jié)束,粒子將消亡.由于系統(tǒng)不停地對粒子狀態(tài)進(jìn)行更新,因此,粒子的消亡和產(chǎn)生將會不斷地刪除和申請內(nèi)存空間,從而容易造成內(nèi)存碎片和浪費(fèi).本研究采取以下方式來解決這個問題:當(dāng)一個粒子消亡后,不是馬上刪除粒子所在的內(nèi)存,而是將該粒子重新初始化,并從粒子發(fā)射器中發(fā)射出來,從而省去了刪除粒子和重新申請粒子內(nèi)存的時間,提高了系統(tǒng)的效率.

3 尾焰特效的渲染優(yōu)化

本研究采用 LOD技術(shù)、紋理映射技術(shù)與Billboard技術(shù)來加快實(shí)時顯示速度,從而提高逼真度.

3.1 紋理映射與 Billboard技術(shù)

紋理映射技術(shù)本質(zhì)上是通過用圖像來替代物體模型中的可模擬或不可模擬細(xì)節(jié),來提高模擬逼真度和顯示速度.紋理映射的原理如圖 3所示[9],其中E(xD,yD)代表屏幕空間的投影點(diǎn),P(x,y,z)代表物體上的點(diǎn),q(u,v)代表相應(yīng)的紋理像素.通過屏幕空間、物體空間和紋理空間之間的一系列的變換過程,最終在屏幕上形成三維質(zhì)感.Billboard技術(shù)采用一個四邊形來表示一個物體,四邊形的 4個頂點(diǎn)都有自身的紋理坐標(biāo)并賦予其所代表物體的紋理,四邊形圖像始終面對視點(diǎn)[10].當(dāng)視點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時,四邊形的法線向量跟隨視點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),從觀察者的角度看,就仿佛只看到一個物體.每個粒子作為一個Billboard,若粒子的中心位置為點(diǎn) O,視點(diǎn)的位置為點(diǎn) C,則 Billboard的法向量,其中 OC為兩點(diǎn)形成的向量,dOC為兩點(diǎn)之間的距離.Billboard技術(shù)用簡單的多邊形來代替一些復(fù)雜的物體,大大加快了建模和渲染速度.

圖 3 紋理映射示意圖Fig.3 Texturemapp ing

3.2 LOD實(shí)時性優(yōu)化

如果對飛機(jī)的尾焰采用相同的粒子數(shù)量來渲染,將無法保證實(shí)時性.本研究采用 LOD技術(shù)來加速尾焰渲染,即當(dāng)視點(diǎn)較近時,會產(chǎn)生較多的粒子,視點(diǎn)較遠(yuǎn)時,產(chǎn)生較少的粒子.設(shè)粒子數(shù)量 n與視點(diǎn)距離 d的關(guān)系為 n=k×d-1,其中 k為常數(shù).由于視點(diǎn)較遠(yuǎn),人眼分辨不出,從而減少了計(jì)算機(jī)的處理時間,提高了系統(tǒng)的繪制效率.

4 仿真結(jié)果

本仿真在 VC++環(huán)境下,利用 Irrlicht可視化平臺,對飛機(jī)飛行時產(chǎn)生的尾焰進(jìn)行了模擬.圖 4～圖 6為采用紋理映射技術(shù),不同粒子數(shù)量下的尾焰模擬情況.由圖可見,粒子數(shù)為 300和粒子數(shù)為 150時的尾焰都具有較好的逼真度,而粒子數(shù)為 60時的模擬效果則較差.兼顧到逼真度和實(shí)時性的要求,當(dāng)視點(diǎn)較近時,尾焰粒子可設(shè)定為 150,而視點(diǎn)較遠(yuǎn)時設(shè)定為 60.此時圖形生成的幀速率達(dá)到了 156幀 /s,大大超過飛行視景仿真所要求的 60幀 /s.而圖 7為沒有采用紋理映射技術(shù),粒子數(shù)為 300時得到的尾焰模擬情況,模擬出的尾焰輪廓模糊,存在明顯的鋸齒現(xiàn)象.

圖 4 粒子數(shù)為 60的尾焰(采用紋理映射)Fig.4 Jet f ire w ith 60 par ticles(w ith texturemapp ing)

圖 5 粒子數(shù)為 150的尾焰(采用紋理映射)Fig.5 Jet f ire w ith 150 par ticles(w ith texturemapp ing)

圖 6 粒子數(shù)為 300的尾焰(采用紋理映射)Fig.6 Jet f ire w ith 300 par ticles(w ith texturemapp ing)

飛行視景系統(tǒng)中,特效的仿真內(nèi)容不僅僅局限于飛機(jī)尾焰,本研究對雨和雪的特效也進(jìn)行了仿真,效果如圖 8和圖 9所示.

圖 7 粒子數(shù)為 300的尾焰(無紋理映射)Fig.7 Jet f ire w ith 300 par ticles(w ithout texturemapp ing)

圖 8 下雨模擬效果圖Fig.8 Simulation result of ra in

圖 9 下雪模擬效果圖Fig.9 Simulation result of snow

5 結(jié) 束 語

在飛行視景系統(tǒng)中,特效的實(shí)現(xiàn)是體現(xiàn)仿真逼真度的一個重要指標(biāo).本研究從模擬的逼真度與系統(tǒng)的實(shí)時性出發(fā),提出了基于粒子系統(tǒng)的飛機(jī)尾焰的模擬方法.仿真結(jié)果表明,該算法能夠很好地模擬飛機(jī)尾焰效果,具有很好的實(shí)時性.

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我校三種科技期刊再獲上海市科技期刊優(yōu)秀獎

上海大學(xué)期刊社捷報頻傳,在日前結(jié)束的上海市科技期刊質(zhì)量評比中,三種科技期刊《上海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》、《應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué) (英文版)》、《上海大學(xué)學(xué)報 (英文版)》同時獲得上海市科技期刊審讀優(yōu)秀獎.

據(jù)悉,本次科技期刊質(zhì)量評優(yōu)工作長達(dá) 4個月 (2010年 11月—2011年 2月),上海市 360多種科技期刊中有 250種期刊參加評比,占全市科技期刊總數(shù)的 69%.評比采取同行專家審讀的辦法,審讀項(xiàng)目為政治標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)術(shù) (技術(shù))標(biāo)準(zhǔn)、編輯標(biāo)準(zhǔn)、出版標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、分工檢查、交流復(fù)查、匯總檢查”等評比程序,最后遴選出總體評定為“優(yōu)”的期刊 60種,占參加評比期刊總數(shù)的 24%.

近年來,我?？萍计诳趨⒓尤珖蜕虾Ｊ械钠诳|(zhì)量評比中屢創(chuàng)佳績.2010年除上述三種科技期刊蟬聯(lián)第三屆中國高校精品、優(yōu)秀、特色科技期刊獎外,我社《自然雜志》獲得中國高校優(yōu)秀科技期刊獎.以上成績的獲得,將激勵著上大“期刊人”繼續(xù)奮發(fā)努力,為進(jìn)一步提高上大主辦期刊的質(zhì)量和社會影響力,作出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn).

(上海大學(xué)期刊社)

Simulation of Special Flight Effects Based on Par ticle System

CHEN Jun-li, XU Wei-feng, HUANGBing, WAN Wang-gen
(School of Communication and Information Engineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

Thispaper studies simulation of jet fire based on the particle system.Texture mapping and levelsof detail(LOD)techniques are used to enhance the operation speed.The result show s that visual effect of jet fire is true to life.It can meet the needs of real time animation on ordinary PCs.Simulation of rain and snow is also presented.

particle system;texturemapping;real time rendering;levelsof detail(LOD)

TP 391.9

A

1007-2861(2011)02-0138-05

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.02.006

2009-09-17

上海市教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目(J50104);國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863計(jì)劃)資助項(xiàng)目 (2007AA01Z319);上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動計(jì)劃資助項(xiàng)目(CXSJ08-024)

陳俊麗 (1972～),女,副教授,博士,研究方向?yàn)槎嗝襟w信息處理.E-mail:jlchen@staff.shu.edu.cn

(編輯:趙 宇 )