應(yīng)用粒子系統(tǒng)構(gòu)建云霧模型

郭燁旻

（吉林省國際商務(wù)學(xué)校，吉林長春 130012）

粒子系統(tǒng)（Particle System）是Reeves在1983年提出的利用粒子模擬自然場景的一種技術(shù)，多用于模擬雨、雪、水流、爆炸、煙霧等場景［1］。由于這些場景都是根據(jù)物理模型計(jì)算出來的，也可以說，粒子系統(tǒng)是基于物理原理的一種建模方法。在本文中首先使用粒子系統(tǒng)建立云霧的三維框架模型，在形成的框架中使用過程紋理函數(shù)對云模型進(jìn)行紋理映射，最后應(yīng)用公告板技術(shù)完成云模型的繪制。

1 使用粒子系統(tǒng)建立云的3D框架

應(yīng)用粒子系統(tǒng)將景物定義為由成千上萬個不規(guī)則并且是隨機(jī)分布的粒子組成，每個粒子都有一定的生命周期，每時(shí)每刻都在不斷地運(yùn)動和改變形態(tài)，由諸多粒子的集合而不是個別粒子形成了景物的整體形態(tài)和特征以及動態(tài)變化［2］。

通過控制粒子的運(yùn)動將云的擴(kuò)散以及氣流對云的作用表示出來，在這一變化發(fā)生的過程中由粒子的分布規(guī)律以及濃度屬性得到總的粒子分布濃度場。其中粒子的主要屬性為：粒子的速度、位置、加速度、作用半徑以及濃度函數(shù)。粒子的作用半徑和濃度函數(shù)之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 半徑和濃度函數(shù)之間的關(guān)系

其中粒子的作用半徑為R，通過系統(tǒng)設(shè)置濃度域值p，通過解方程f（R,t）=p，得以確定粒子的作用范圍R?，F(xiàn)實(shí)生活中，自然界的云其實(shí)是由無數(shù)個液態(tài)的小水珠集合在一起形成的，所以在進(jìn)行云模型架構(gòu)時(shí)使用粒子代替小水珠，模型的構(gòu)建過程如圖2所示。

圖2 模型的構(gòu)建過程

2 過程紋理函數(shù)對紋理的映射

應(yīng)用根據(jù)云的物理模型制作的紋理貼片代替生成的粒子，該紋理具有云粒子的大小、形狀、透明度、顏色等特性。而且根據(jù)場合和云精細(xì)程度的需要，使用過程紋理貼片代替一個或多個粒子，用稍微復(fù)雜的貼片可以減小粒子的數(shù)目而達(dá)到相同的效果，以提高性能。粒子紋理可以根據(jù)算法生成，也可以使用現(xiàn)有的圖像［5］。在構(gòu)建云內(nèi)的粒子時(shí)，由于粒子過多，不能采用OpenGL提供的點(diǎn)或者三維型體來代表微小的粒子，因?yàn)橄到y(tǒng)性能無法承受，而且alpha混合的時(shí)候也不美觀。本文采用紋理映射和Billboard技術(shù)來實(shí)現(xiàn)云的繪制。

在具體的云紋理采樣過程中應(yīng)用二維高斯正態(tài)分布函數(shù)公式：

生成的云霧紋理定義在水平直角坐標(biāo)系［-1.0,1.0］×［-1.0,1.0］區(qū)間內(nèi)，G（u，v）用來計(jì)算點(diǎn)（u，v）處的灰度值，σ為高斯分布的方差。在公式中引入中心峰值調(diào)制系數(shù)ρ，其取值范圍是［0,2πσ］，根據(jù)實(shí)際模擬經(jīng)驗(yàn)當(dāng)峰值為0.4時(shí)最為接近自然效果，同時(shí)ρ=σ。

3 使用公告板技術(shù)完成繪制

公告板 (Billboard)技術(shù)是一項(xiàng)非常實(shí)用的技術(shù)，它可以用一種簡單的方式來完成很多特別的效果。公告板技術(shù)的原理其實(shí)很簡單，就是使用兩個三角形組成的矩形來顯示一個位圖，在顯示過程中這個矩形面板根據(jù)攝像機(jī)的觀察角度和位置而變化。粒子在三維的空間中運(yùn)行，其位置分布也是三維的，但是由于通常的紋理映射技術(shù)都是二維的，所以當(dāng)視點(diǎn)在場景當(dāng)中運(yùn)動時(shí)，可能由于相互角度的關(guān)系而發(fā)生失真現(xiàn)象，當(dāng)視線平行于紋理映射平面時(shí)，甚至完全看不到物體的存在。我們應(yīng)用公告板技術(shù)使生成的過程紋理跟隨視角變化，利用二維的紋理函數(shù)模擬三維的渲染效果［5］。

在粒子填充完以后，根據(jù)云圖可以進(jìn)一步調(diào)整云的效果。因?yàn)榱Ｗ拥膶傩灾苯佑绊懙皆频男Ч?，粒子的大小直接關(guān)系到云的分辨率，當(dāng)視點(diǎn)較近時(shí)，粒子尺寸應(yīng)該較小，而當(dāng)視點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，粒子尺寸較大。粒子的密度直接影響到云的厚度和顏色，而顏色和透明度則間接反映了光照程度，因此通過調(diào)整粒子的密度和、顏色及透明度就可表現(xiàn)出光照的影響。在繪制過程中，可以通過隨機(jī)地控制與粒子有關(guān)的這些參數(shù)來增加真實(shí)感。為了更好地模擬云彩效果，我們還可控制云團(tuán)邊緣的半透明度比中心的半透明度高，這樣，在云粒子集中的地方，會呈現(xiàn)出亮白色；還可采用色彩融和的技術(shù)，把云粒子本身的顏色和天空面的背景顏色很好地融和起來，在云粒子分散的地方，會略微呈現(xiàn)出天空的背景面，這樣就能得到較為真實(shí)的效果。

4 算法實(shí)現(xiàn)

使用java構(gòu)建粒子系統(tǒng)，應(yīng)用OpenGL對生產(chǎn)的系統(tǒng)進(jìn)行渲染具體步驟如圖2所示：

圖2 粒子系統(tǒng)生成步驟

5 結(jié)論

本文應(yīng)用粒子系統(tǒng)與紋理過程函數(shù)相結(jié)合的方法對自然景物中的云霧模型進(jìn)行模擬，在具體的模型繪制過程中應(yīng)用紋理映射和Billboard技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，從而提出了一種多種建模方式相結(jié)合的模擬不規(guī)則物體的全新方法。

[1]Reeves T.Particle systems—a technique for modelinga class offuzzyobjects[J].ACMTransactions on Graphics,1983,2(2):91-108.

[2]Harris MJ.Real-time cloud simulation and rendering[D].Carolina:UniversityofNorth Carolina,2003.

[3]袁霞,張玉啄.粒子系統(tǒng)方法及其應(yīng)用[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003(3):14-16.

[4]張芹,吳慧中,張健.基于粒子系統(tǒng)的建模方法研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2003(8):144-146.

[5]馬繼峰,彭曉源,馮勤,等.三維特殊效果庫的研究與實(shí)現(xiàn)[J].光電技術(shù)應(yīng)用,2003(4):34-38.

[6]羅玉玲.粒子系統(tǒng)與紋理映射相結(jié)合模擬禮花的研究[J].電腦知識與技術(shù),2004(20):70-72.

[7]魏海燕.虛擬制造技術(shù)的相關(guān)概念及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程師,1999(9):1-2.