粒子系統(tǒng)在航海應(yīng)用上的展望＊

張新雄 李慶楊

（海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430）

1 引言

2009年，特效制作的3D電影《阿凡達(dá)》像一枚重磅炸彈，猝不及防地沖擊了每個(gè)人的眼球。據(jù)悉，全球票房收入高達(dá)27億美元，全片有60%的鏡頭是由CGI（計(jì)算機(jī)生成圖像）拍攝的。不管是動(dòng)作、表情逼真的人物及其他動(dòng)物，還是栩栩如生的模擬植物，抑或是惟妙惟肖的自然景象如瀑布、浮云、火焰、極光等，都表現(xiàn)出了高度的真實(shí)性，以至于人們?cè)谟^看過(guò)程中忘記了這些影像都是電腦生成的。而這些虛擬影像的生成都毫不例外地應(yīng)用了基于粒子系統(tǒng)的模擬技術(shù)，如圖1所示[1]。

圖1 粒子系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用

粒子系統(tǒng)與以往的方法不同，這種方法主要用于模擬不規(guī)則物體。其根本思想就是在模擬和繪制不規(guī)則物體的時(shí)候，將物體劃分為很多微小的粒子圖元，并對(duì)這些粒子圖元進(jìn)行繪制。粒子系統(tǒng)的方法與以往模擬繪制的方法相比較，體現(xiàn)出了它可以模擬不規(guī)則物體的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性，增加了模擬的真實(shí)感，可以很好地解決不規(guī)則物體的模擬。

2 粒子系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

粒子系統(tǒng)是 William T.Reeves[2]于1983年在《Particle Systems－A Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects》一文中首次提出來(lái)的，并成功地模擬了電影《Star Trek 2：The Wrath of Khan》中的一系列特技鏡頭。1992年，Teng－See Loke等在粒子系統(tǒng)中首次引入牛頓運(yùn)動(dòng)定律，成功渲染不同情況下焰火的多種特性；1998年，Matthias等首次將紋理映射技術(shù)用于粒子系統(tǒng)中，并從物理學(xué)的角度上成功實(shí)現(xiàn)云的模擬繪制；2003年，Konthanen等在運(yùn)用粒子系統(tǒng)時(shí)，結(jié)合空間細(xì)分算法減少系統(tǒng)的計(jì)算量，節(jié)省系統(tǒng)資源，提高渲染模擬的實(shí)時(shí)性。

國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，直到20世紀(jì)末才開(kāi)始。而且國(guó)內(nèi)主要研究粒子系統(tǒng)在不規(guī)則景物應(yīng)用方面的問(wèn)題。2000年，張芹等通過(guò)粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)火焰等氣態(tài)現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性模擬。2006年，王繼州等則通過(guò)火焰鏈的方式實(shí)現(xiàn)火焰的模擬。2008年，高玉建等實(shí)現(xiàn)了基于GPU和粒子系統(tǒng)的焰火渲染；2009年，李清暢等則通過(guò)粒子系統(tǒng)大規(guī)模編排數(shù)據(jù)和添加音樂(lè)特效實(shí)現(xiàn)音樂(lè)焰火的渲染[3]；黃柏剛等利用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船舶導(dǎo)航雷達(dá)模擬器中雨雪回波圖像的模擬[4]。2012年吳進(jìn)等在Android平臺(tái)上利用粒子系統(tǒng)構(gòu)建游戲引擎[5]。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，困擾人們多年的粒子系統(tǒng)生成圖像的真實(shí)度和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性之間的矛盾已經(jīng)得到了很大的改善。于是，人們開(kāi)始更多地關(guān)注快速、方便、有趣、多樣化的粒子特效系統(tǒng)及合成影像工具，以便在細(xì)節(jié)方面得到更加完美的視覺(jué)效果，如3DSMAX粒子系統(tǒng)[6～7]等。目前，粒子系統(tǒng)技術(shù)被廣泛用于大型3D游戲制作、合成電影電視特效、工業(yè)輔助設(shè)計(jì)、建筑園林、室內(nèi)裝飾以及多媒體制作等領(lǐng)域，同時(shí)為科技教育、軍事技術(shù)和科學(xué)研究提供專業(yè)、全面的解決方案。

3 粒子系統(tǒng)的基本模型

粒子系統(tǒng)的基本原理是采用大量細(xì)小粒子圖元作為繪制不規(guī)則模糊物體的基本元素，每個(gè)粒子都一定生命周期，隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)會(huì)不斷地產(chǎn)生新粒子，同時(shí)粒子所具有的各種屬性，即形狀、大小、位置、顏色、透明度、運(yùn)動(dòng)速度、生命值等不斷變化，直到生命周期結(jié)束時(shí)被系統(tǒng)刪除[8～10]。

圖2 粒子系統(tǒng)基本模型

粒子系統(tǒng)的基本模型如圖2所示，粒子系統(tǒng)主要有五部分組成：產(chǎn)生粒子、更新粒子、繪制粒子、判斷粒子是否消亡、刪除粒子。各部分的主要作用如下：

1）產(chǎn)生粒子：初始化粒子的屬性，如：顏色、位置、速度、加速度、作用力、生命期等。以及增加其它特定屬性和刪除特定屬性。

2）更新粒子：以時(shí)間為函數(shù)或以其它變量為函數(shù)對(duì)粒子的屬性進(jìn)行更新，如：根據(jù)速度改變位置、根據(jù)位置改變生命期等。

3）繪制粒子：根據(jù)粒子的位置、顏色等屬性繪制粒子。

4）判斷粒子是否消亡：根據(jù)粒子的生命期來(lái)判斷粒子是否應(yīng)該消亡。

Case 2.p=3,q=2.先證明|Q|=2.若否,顯然|Q|=4,可取x∈P,o(x)=3與y∈Q,o(y)=4,因G內(nèi)冪零,則有子群H=〈x〉×〈y2〉誘導(dǎo)的子圖P(H)含有K3,3,從而可得冪圖不可平面化,矛盾.故|Q|=2,類似Case 1可以證明CP(Q)=1,則有P為初等交換3群且G為Frobenius群.

5）刪除粒子：刪除到生命期的粒子。

以上的各部分可以根據(jù)需要進(jìn)行改變，以適應(yīng)不同的需要，如：刪除粒子可以不用真的刪除粒子，用更改粒子的屬性為初始值的方法來(lái)刪除粒子等。

根據(jù)粒子系統(tǒng)的模型可知，生成粒子系統(tǒng)的基本步驟：

1）生成一定數(shù)量的新粒子加入系統(tǒng)；

2）賦予每一個(gè)新粒子以一定的初始屬性；

3）除那些已經(jīng)超過(guò)其生命周期的粒子；

4）根據(jù)粒子的動(dòng)態(tài)對(duì)粒子進(jìn)行變換及改變屬性；

5）繪制并顯示由有生命的粒子組成的圖形。

4 在航海應(yīng)用上的展望

粒子系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于可以使復(fù)雜的物體簡(jiǎn)單化，這種方法，可以體現(xiàn)出不規(guī)則物體的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性。這種用粒子系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行模擬時(shí)，既保證了景物的整體效果，又反映了景物的局部特征。當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，粒子系統(tǒng)可以通過(guò)粒子自身的運(yùn)動(dòng)和改變，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做出調(diào)整。這一切說(shuō)明了粒子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性，即它是隨著時(shí)間的變化而不斷變化的一個(gè)集合體。也是因?yàn)檫@種特性，使得粒子系統(tǒng)航海應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

粒子系統(tǒng)是一種廣泛應(yīng)用的模擬方法，概括起來(lái)講，粒子系統(tǒng)在航海方面主要應(yīng)用于以下三方面，即模擬自然景觀等非整體物體、模擬整體物體的表面形態(tài)、模擬可形變物體如船體等的動(dòng)態(tài)行為。

4.1 模擬自然景觀

在對(duì)非整體物體模擬時(shí)，粒子系統(tǒng)并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的靜態(tài)系統(tǒng)。隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)中已有的粒子不斷改變形狀，不斷運(yùn)動(dòng)，而且不斷有新粒子加入，并有舊粒子消失，利用粒子系統(tǒng)的這種特性構(gòu)建航海虛擬環(huán)境，生成逼真、可控的風(fēng)浪、雨雪、云霧、煙霧、霞光、船體周圍和島礁周圍浪花等，降低航海模擬系統(tǒng)的運(yùn)算成本，提高航海視景的真實(shí)度和實(shí)時(shí)性；利用粒子系統(tǒng)生成大霧、雨雪天氣，構(gòu)建復(fù)雜航行海區(qū)，提高航海模擬器的訓(xùn)練效果；利用基于粒子系統(tǒng)的方法提高氣象雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)的顯示效果。

4.2 模擬整體物體的表面形態(tài)

粒子系統(tǒng)還可以應(yīng)用于物體的表面建模之中，用它建立的表面模型是一種彈性的模型，與一般的表面模型不一樣，粒子系統(tǒng)建立的表面模型在不需要人工干預(yù)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)表面的拆分與擴(kuò)展。由于粒子的排列十分靈活，在物理形狀與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，粒子系統(tǒng)能夠建立出比一般的可形變表面模型更加復(fù)雜和隨意的物理形狀。因而，在海上戰(zhàn)場(chǎng)模擬方面，利用粒子系統(tǒng)來(lái)生成爆炸、碎裂、火炮口焰、導(dǎo)彈尾焰、箔條干擾、燈塔燈柱的夜間信號(hào)及植被、森林、群山和島嶼等，使戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境更加逼真；還可以模擬航船、海上建筑、港口、碼頭等整體物體。

4.3 模擬可形變物體的動(dòng)態(tài)行為

粒子間有相互作用力存在，粒子還受到重力等外力的作用，運(yùn)行粒子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，粒子系統(tǒng)可以用來(lái)模擬物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及液態(tài)物體的流動(dòng)等行為。運(yùn)用粒子系統(tǒng)方法對(duì)形變物體容積建模時(shí)，一般用質(zhì)量、半徑、位置、速度及相互作用力等屬性來(lái)描述系統(tǒng)中的粒子。盡管粒子的描述比較簡(jiǎn)單，但由于粒子用于模擬一些復(fù)雜的行為，尤其需要模擬一定約束下的形變物體，因此粒子系統(tǒng)對(duì)形變物體的模擬也并不是一種十分簡(jiǎn)單的方法。粒子的運(yùn)動(dòng)一般由物理學(xué)中牛頓定理來(lái)定義。在模型中，主要考慮兩種類型的力，粒子間的內(nèi)部力，包括引力和斥力，以維持粒子間的關(guān)系，而力的大小由粒子間的距離來(lái)確定；系統(tǒng)外部力，如與障礙物碰撞所產(chǎn)生的力或重力。結(jié)合粒子系統(tǒng)和幾何模型或者物理模型，可模擬船行波或者艦船航跡[9]，研究淺水效應(yīng)、船體興波、復(fù)雜海區(qū)等對(duì)船舶航行安全的影響；由于粒子系統(tǒng)的靈活性和可控性，可賦予單個(gè)粒子質(zhì)量、速度及作用力，將其運(yùn)用于船體碰撞檢測(cè)和船體結(jié)構(gòu)分析研究也是一個(gè)重要方面。

[1]CHEN GANG.Particle System Based Simulation of Special Effect in 3DVirtual Scene[J].Wuhan：2011International Conference on Computer，Electrical，and Systems Sciences，and Engineering.

[2]William T.Reeves.Particle Systems－A Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects[J].Computer Graphics，1983，17（3）：359－376.

3 高秀亭.基于粒子系統(tǒng)的火焰和煙花實(shí)時(shí)模擬技術(shù)研究[D.蘇州：蘇州大學(xué)研究生院，2011.

[4]黃柏剛.船舶導(dǎo)航雷達(dá)模擬器中雨雪回波圖像的研究[D].大連：大連海事大學(xué)研究生院，2009.

[5]吳進(jìn)，劉文浩，謝韜.Android平臺(tái)粒子系統(tǒng)構(gòu)建[J].成都：計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012（08）.

[6]王少偉，陳曉青.影視特效粒子系統(tǒng)研究[J].上海：軟件導(dǎo)刊，2012，11（4）.

[7]梁忠先.3DSMAX粒子系統(tǒng)初探[J].天津：天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2012：14（5）.

[8]楊青.基于粒子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬真實(shí)感研究與實(shí)現(xiàn)[D.西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[9]嚴(yán)芳.粒子系統(tǒng)及其SPH方法應(yīng)用的研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[10]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)，2003，30（8）.

[11]薛菲，張榮國(guó)，陳大川，等.基于粒子系統(tǒng)的雪景模擬算法研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011（6）.

[12]趙欣，李鳳霞，戰(zhàn)守義.基于粒子系統(tǒng)的艦船航跡仿真[J].計(jì)算機(jī)工程，2008（08）：34（15）.