基于OSG粒子系統(tǒng)的雪景模擬

許金生，宋萬忠

（1.四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都610064；2.四川大學(xué) 視覺合成圖形圖像技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610064）

0 引 言

在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真中，自然景物是不可或缺的場景組成內(nèi)容。雪是常見的自然景觀，雪的模擬可以提高視景的真實(shí)感，所以無論從現(xiàn)實(shí)意義的角度，還是從計(jì)算機(jī)仿真的角度，在視景中創(chuàng)建和研究雪景模擬均有重要的意義。目前，粒子系統(tǒng)是模擬自然環(huán)境中運(yùn)動物體非常有效的方法，Reeves于1983年首先提出粒子系統(tǒng)建模仿真的方法并被廣泛應(yīng)用。OpenSceneGraph圖形系統(tǒng)［1］是一個(gè)基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL的軟件接口，封裝并提供了數(shù)量眾多的提高程序運(yùn)行時(shí)性能的算法［2］。雪景模擬方面，研究者們已經(jīng)做了一定量的研究工作，文獻(xiàn) ［3］中，對雪粒子的受力進(jìn)行了分析與建模，但是對雪粒子的運(yùn)動學(xué)描述進(jìn)行了相應(yīng)的簡化，沒有考慮到風(fēng)力對雪粒子的影響，而只是使用了隨機(jī)速度來簡化影響［3］；文獻(xiàn) ［4］中，利用與距離相關(guān)的概率函數(shù)考慮粒子的密度，只需要少量的粒子就可以模擬大量降雪的場景，但是粒子的屬性設(shè)置過于簡單，沒有設(shè)置粒子的重力、生命周期等屬性［4］。

本文基于粒子系統(tǒng)原理和OSG圖形庫，在分析粒子系統(tǒng)的一般原理基礎(chǔ)上，利用OSG圖形接口，提出了一種實(shí)時(shí)模擬雪景的算法。該算法分析了所采用的粒子模型的受力情況與初始屬性等，同時(shí)實(shí)時(shí)的改變每幀中風(fēng)速的大小和方向，并與前一幀中的風(fēng)速形成合力對雪粒子產(chǎn)生影響，更加符合真實(shí)情況。

1 粒子系統(tǒng)簡介

1.1 粒子系統(tǒng)的基本原理

粒子系統(tǒng)的基本思想是使用大量的、具有狀態(tài)和屬性的微小粒子來描述不規(guī)則的物體，通過對每個(gè)粒子屬性和狀態(tài)的改變進(jìn)行不規(guī)則物體運(yùn)動變化的仿真模擬。

粒子系統(tǒng)是一個(gè)動態(tài)的而非靜態(tài)的系統(tǒng)，其動態(tài)變化過程就是眾多新粒子產(chǎn)生和舊粒子消亡的過程。系統(tǒng)中各個(gè)新生粒子在出生時(shí)都有各自的屬性 （如形狀、顏色、初速度等），并且這些屬性在各個(gè)粒子的生命周期中不斷的發(fā)生著變化［5－7］。粒子系統(tǒng)的動態(tài)運(yùn)行過程分為以下幾個(gè)步驟［8－9］：

（1）新的粒子出生并加入到系統(tǒng)中；

（2）新出生的粒子獲得各自的初始屬性；

（3）粒子的屬性動態(tài)更新；

（4）根據(jù)粒子的實(shí)時(shí)屬性進(jìn)行繪制并形成圖形；

（5）刪除死亡的舊粒子并取消顯示。

粒子系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)是確定粒子的動態(tài)變化規(guī)律、粒子的初始屬性 （如形狀、顏色、初速度等）和粒子的繪制與刪除等。粒子系統(tǒng)中的這些關(guān)鍵點(diǎn)主要由各個(gè)具體的應(yīng)用場景來確定［10－11］。

1.2 基于OSG的粒子系統(tǒng)簡介

OSG中建立粒子系統(tǒng)一般有兩種方式：一是讀取OSG預(yù)定義粒子系統(tǒng)，加載具體的粒子效果至場景；另一種是建立自定義粒子系統(tǒng)，創(chuàng)建特定效果至場景中。

OSG預(yù)定義的粒子效果都是從類osgParticle：：ParticleEffect派生而來的。類中關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 OSG預(yù)定義粒子系統(tǒng)類

這些類可以獨(dú)立的使用，直接加入到場景中就可以顯示相應(yīng)的效果。其中ExplosionDebrisEffect是爆炸物四濺的效果模擬；ExplosionEffect是爆炸的模擬；FireEffect是關(guān)于火光的模擬；Smoke（Trail）Effect是關(guān)于煙霧的模擬。此外，OSG中添加了一個(gè)osgParticle：：osgPrecipitation新類，可以使用雨效、霧效和雪效等。

OSG自定義粒子系統(tǒng)的建立分為以下步驟：

（1）確定自定義粒子系統(tǒng)的整體意圖；

（2）使用osgParticle：：Particle類，通過確定單個(gè)粒子的具體屬性來建立粒子模板；

（3）使用osgParticle：：ParticleSystem類，通過確定粒子總體數(shù)量、屬性等來建立粒子系統(tǒng)；

（4）設(shè)置發(fā)射器，使用osgParticle：：Counter、osg－Particle：：Placer、osgParticle：：Shooter 和 osgParticle：：Emitter等類設(shè)置粒子的發(fā)射屬性，出生地的位置方向，發(fā)射器的初速度，粒子發(fā)射的數(shù)目等；

（5）設(shè)置操作，利用osgParticle：：Operator等類進(jìn)行旋轉(zhuǎn)度，風(fēng)力等因素的設(shè)置；

（6）加入結(jié)點(diǎn)，更新。

關(guān)系圖如圖2所示。

2 基于OSG粒子系統(tǒng)的雪景模擬

2.1 基于OSG預(yù)定義粒子系統(tǒng)的雪景模擬

使用OSG預(yù)定義的粒子系統(tǒng)來描述雪景時(shí)，使用osg－Particle：：PrecipitationEffect類的void snow （float intensity）來設(shè)置雪景的密度大??；使用void setWind（const osg：：Vec3＆wind）接口來設(shè)置場景中風(fēng)速的方向和大小，同時(shí)可以利用接口osg：：Fog＊getFog（）來設(shè)置場景霧效，增加場景效果。

圖2 OSG自定義粒子系統(tǒng)類

利用osgParticle：：PrecipitationEffect類，還可以設(shè)置粒子的大小、顏色、粒子出生速度、最大粒子密度、粒子透明度、雨模擬、霧的顏色等等?？梢栽趯?shí)際使用中，加載需要的效果至場景中，例如可以在場景中同時(shí)添加雪效和霧效，并設(shè)置雪效和霧效不同的顏色、密度等。

2.2 基于OSG自定義粒子系統(tǒng)的雪景模擬

2.2.1 自定義OSG粒子數(shù)學(xué)模型分析

OSG環(huán)境中，坐標(biāo)軸與OpenGL中坐標(biāo)軸不同。粒子系統(tǒng)中，新生粒子位于屏幕上方的圓型區(qū)域內(nèi)，如圖3所示。粒子出生時(shí)賦予每個(gè)粒子不同的隨機(jī)初始參數(shù)。對于每個(gè)粒子而言，其實(shí)際意義是其每幀的位置和速度，如圖4所示。

式中：f1——粒子受到的重力，f2——粒子受到的浮力，f3——粒子受到的風(fēng)力，f4——不同粒子之間的相互作用力，f5——粒子下降過程中受到的空氣摩擦力。粒子所受其合力fsum決定了雪粒子的運(yùn)動軌跡［12－14］。

粒子的當(dāng)前速度可以通過粒子在上一幀中的速度和粒子當(dāng)前的加速度求得，可以用式 （2），（3）對粒子在當(dāng)前的速度和位置表達(dá)

式中：v0——上一幀的速度，v1——當(dāng)前速度，p0——上一幀的位置，p1為粒子的當(dāng)前位置，dt——一幀的時(shí)間間隔。若v0的方向角為 （θ1，θ2，θ3），則式 （2）， （3）可展開為標(biāo)量形式

粒子的實(shí)時(shí)位置由時(shí)間間隔和粒子的實(shí)時(shí)速度決定，其標(biāo)量式如下

將式 （4）代入即可求得粒子的位置變化［15］。

2.2.2 自定義OSG粒子的具體設(shè)置

使用自定義的粒子系統(tǒng)來描述雪景的時(shí)候，需要設(shè)置粒子的各種基本屬性，如粒子模板、發(fā)射器、粒子更新器等，將設(shè)置好的屬性加入到場景中，實(shí)現(xiàn)自定義效果。其中，粒子的各種基本屬性設(shè)置如下：

生命周期：void setLifeTime（double t），設(shè)置粒子生命周期，以秒為單位，若t小于0，則粒子永不消失。

粒子尺寸：void setSizeRange （const rangef ＆r），設(shè)置粒子的最大最小尺寸，只對多邊形形態(tài)適用。

粒子透明度：void setAlphaRange （const rangef＆r），設(shè)置粒子生命周期中透明度的變化范圍。

粒子半徑：void setRadius（flota r），設(shè)置粒子半徑大小。

粒子顏 色：void setColorRange （const rangev4＆r），設(shè)置粒子生命周期中顏色變化范圍。

粒子重量：void setMass（float m），設(shè)置粒子的重量，在雪景模擬中配合重力顯示雪效的下降過程。

粒子屬性：void setDefaultAttributes，設(shè)置粒子的紋理、光滑度、發(fā)光度等屬性來顯示自定義的粒子系統(tǒng)，在模擬系統(tǒng)中使用自定義的紋理來顯示雪花。

發(fā)射器：設(shè)置粒子系統(tǒng)的發(fā)射器，包括粒子系統(tǒng)的osgParticle：：Counter、osgParticle：：Placer、osgParticle：：Shooter等類。設(shè)置粒子每秒產(chǎn)生的數(shù)目、粒子出生點(diǎn)的位置、粒子出生的范圍和角度、粒子出生的初速度以及出生的朝向等。在本模擬場景中，使用SectorPlacer環(huán)形發(fā)射源和0－2＊osg：：PI的角度來模擬初生雪粒子，具體的初速度、粒子數(shù)目等參數(shù)來模擬雪效。

影響操作設(shè)置：設(shè)置粒子的向下引力、氣流作用等。在本模擬場景中，void setToGravity（）使用默認(rèn)的重力值為9.80665f來模擬地球重力，使用void setFluidToAir（）來模擬空氣條件。

本文中具體的接口選擇和參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.3 自定義雪景模擬中風(fēng)的模擬

實(shí)際的自然現(xiàn)象中，雨雪天氣常常伴隨著風(fēng)的吹動。雪的下降過程不是固定的方向和速度，雪的下降經(jīng)常左右擺動，由于雪的重量很輕，有時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)向上擺動的情況。OSG預(yù)定義場景中只能使用接口void setWind（const osg：：vec3＆wind）設(shè)置風(fēng)向，這樣設(shè)置的風(fēng)向是固定不變的。因此需要在自定義的場景中，設(shè)置不同的風(fēng)向和風(fēng)速對雪粒子的下降過程產(chǎn)生影響。

在模擬程序的主循環(huán)中，在每一幀場景viewer.frame（）前對風(fēng)速進(jìn)行設(shè)置。使用getOperator（）得到之前設(shè)置風(fēng)速的operator，同時(shí)利用隨機(jī)函數(shù)進(jìn)行風(fēng)速的隨機(jī)產(chǎn)生，將新產(chǎn)生的風(fēng)速和通過接口getWind（）得到的前楨風(fēng)速進(jìn)行疊加，疊加的風(fēng)速通過接口setWind（）添加至影響操作設(shè)置的osgParticle：：Program中，這樣產(chǎn)生的風(fēng)速是隨機(jī)風(fēng)速和前幀風(fēng)速的合力作用結(jié)果，符合現(xiàn)實(shí)情況，可以模擬出雪粒子下降過程中風(fēng)對雪粒子的影響。

表1 自定義粒子參數(shù)

其中風(fēng)速的隨機(jī)產(chǎn)生對雪粒子的下降影響很大，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，本模擬系統(tǒng)中利用osg：：Vec3（（（（float）rand（）／（float）RAND＿M(jìn)AX）－0.5）＊0.5，（（（float）rand （）／（float）RAND＿M(jìn)AX）－0.5）＊0.5，（（（float）rand （）／（float）RAND＿M(jìn)AX）－0.5）＊0.2）來產(chǎn)生模擬的風(fēng)速達(dá)到較好的效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

本文在CPU為Intel（R）Pentium （R）4 3.00GHz，內(nèi)存DDR 1GB，顯卡Intel（R）82946GExpress Chipest Family的普通PC上進(jìn)行仿真模擬。圖5、6為預(yù)定義雪景和自定義雪景的場景效果圖。

圖5 預(yù)定義雪景 （intensity為0.005）

可以看出，預(yù)定義的雪景模擬中，雪花的各種屬性設(shè)置比較固定，效果相對自定義的雪景模擬不太逼真，優(yōu)點(diǎn)是代碼簡單，生成快速，適合對細(xì)節(jié)要求不高的環(huán)境使用。自定義粒子系統(tǒng)中，各種屬性設(shè)置參數(shù)較多，代碼復(fù)雜，但是效果逼真，情景真實(shí)，適合對細(xì)節(jié)要求嚴(yán)格的環(huán)境使用。

圖6 自定義雪景 （粒子參數(shù)見表1）

OSG環(huán)境下，設(shè)置其他不同的參數(shù)同樣會導(dǎo)致不同的場景效果。例如，void setMass（float m）和void setToGravity （）分別設(shè)置粒子的重力和系統(tǒng)的重力，配合使用才能實(shí)現(xiàn)合適的效果；void setNumberOfParticlePerSecondToCreate （double numPerSecond）和void setLifeTime（double t）分別設(shè)置場景中每秒產(chǎn)生的粒子數(shù)目和粒子的生存時(shí)間，配合設(shè)置可以決定場景中的粒子總數(shù)等。因此，可以利用OSG豐富的接口來定義不同的例子模型，滿足不同的場景需求，結(jié)果證實(shí)了該方法可以得到比較理想的效果。

4 結(jié)束語

基于粒子系統(tǒng)原理和OSG粒子系統(tǒng)的雪景仿真模擬是利用OSG粒子系統(tǒng)來進(jìn)行仿真模擬的一個(gè)縮影。本文使用OSG圖形開發(fā)包進(jìn)行模擬仿真，利用自定義粒子系統(tǒng)，根據(jù)粒子物理運(yùn)動規(guī)律，實(shí)時(shí)模擬降雪的效果，并在三維場景中實(shí)時(shí)應(yīng)用，達(dá)到逼真的自然效果。三維仿真模擬是一項(xiàng)涉及面很廣的復(fù)雜工程，而且還有許多理論知識需要完善、許多技術(shù)難題需要解決，例如隨機(jī)函數(shù)的選擇，粒子系統(tǒng)屬性參數(shù)設(shè)定和具體實(shí)際情況相符合與否，場景的燈光、LOD等細(xì)節(jié)特效處理等，這些問題還有待深入研究。下一步的工作將根據(jù)本文中自定義的OSG粒子系統(tǒng)為總體框架，通過粒子系統(tǒng)中輸入?yún)?shù)的實(shí)時(shí)改變，開發(fā)出交互式的、實(shí)時(shí)的仿真粒子系統(tǒng)，使之具有實(shí)際的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

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