基于Virtools的燈光、流水及火焰粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 瑜

（鄖陽師范高等專科學(xué)校 信息技術(shù)部， 湖北 十堰 442000）

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基于Virtools的燈光、流水及火焰粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 瑜

（鄖陽師范高等?？茖W(xué)校 信息技術(shù)部， 湖北 十堰 442000）

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中有關(guān)燈光、流水和火焰的模擬是在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)場景時(shí)不可缺少的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)這些不規(guī)則模糊物體使用最多的圖形生成算法當(dāng)數(shù)粒子系統(tǒng)理論.三維虛擬實(shí)境編輯軟件Virtools中提供了大量功能強(qiáng)大的自定義粒子系統(tǒng)模塊，通過與其它行為模塊進(jìn)行組合并設(shè)置相關(guān)屬性，再配合場景中不同視角的攝像機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的特殊視覺效果.實(shí)驗(yàn)表明，各種粒子系統(tǒng)效果仿真度高，模塊組合簡潔高效，穩(wěn)定性和可移植性良好，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：Virtools；虛擬現(xiàn)實(shí)；粒子系統(tǒng)；漫游系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中對燈光、流水、火焰等自然景物的模擬，是構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)場景不可缺少的重要組成部分，在氣象預(yù)報(bào)、航海航空、游戲設(shè)計(jì)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用.這些不規(guī)則動(dòng)態(tài)的對象有著復(fù)雜的邏輯結(jié)構(gòu)，用傳統(tǒng)幾何建模的方法幾乎難以實(shí)現(xiàn)，目前在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域?qū)@種不規(guī)則模糊物體使用最多的圖形生成算法當(dāng)數(shù)粒子系統(tǒng)理論，它具有良好的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性，能夠逼真的模擬自然現(xiàn)象或某些特殊圖案，同時(shí)在三維虛擬實(shí)境編輯軟件Virtools中也提供了大量功能強(qiáng)大的自定義粒子系統(tǒng)的行為模塊，通過對這些模塊的組合和相關(guān)屬性的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的特殊視覺效果.

1 相關(guān)理論與軟件模塊介紹

1.1 粒子系統(tǒng)簡介

粒子系統(tǒng)方法是由Reeves在1983年提出的一種圖形生成算法，基本思想是用大量、細(xì)小的微粒作為基本元素聚集起來，形成一個(gè)復(fù)雜的、不規(guī)則的物體或場景［1］.這些微?？梢允且粋€(gè)像素，也可以是一個(gè)簡單的繪圖圖元，每個(gè)微粒都有形狀、大小、顏色、不透明度、位置、移動(dòng)速度等屬性.一個(gè)微粒具有什么樣的屬性通常決定了粒子系統(tǒng)會模擬出相應(yīng)的對象，但這些屬性并不保持靜態(tài)，隨著時(shí)間的推移，它會發(fā)生不停的變化.同時(shí)每個(gè)微粒也有一定的生命周期，它將經(jīng)歷出生、成長、衰減和滅亡的過程，而對于粒子系統(tǒng)來說，盡管粒子的屬性和生命在不斷發(fā)生改變，但系統(tǒng)會不斷產(chǎn)生新的粒子以取代消亡的舊粒子.粒子系統(tǒng)表現(xiàn)出來的物體或場景結(jié)構(gòu)可以千變?nèi)f化，復(fù)雜多樣，隨時(shí)處在運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，是不確定的，具有很大的隨機(jī)性.也正是由于新舊粒子的更替和無規(guī)則的不斷變化，使得粒子系統(tǒng)可以用來對雨、雪、霧、燈光、火焰等不規(guī)則物體做仿真模擬，當(dāng)然不同對象下對粒子的初始化和屬性要求也不相同.

與其它描述不規(guī)則物體或場景的算法相比，粒子系統(tǒng)優(yōu)勢較為明顯.首先可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)粒子效果，就是用可控制的隨機(jī)過程控制粒子的各類屬性變化使之生成隨機(jī)的粒子效果，一般用來產(chǎn)生火、煙、灰塵、爆炸等［2］；其次可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化粒子效果，主要是模擬一些具有一定結(jié)構(gòu)的物體或場景，如云、彩虹甚至是草、積雪的地面等；最后還可以實(shí)現(xiàn)方向粒子效果，即粒子除了基本的屬性變化之外，還可以在相互作用的影響下保持一定的方向性，一般用來模擬紡織品、光線等.粒子系統(tǒng)功能強(qiáng)大，幾乎可以模擬任何模糊的現(xiàn)象，而且產(chǎn)生的效果真實(shí)多變，富于聯(lián)想，所以現(xiàn)在大量應(yīng)用于三維仿真、游戲開發(fā)、特技效果制作等.

1.2 Virtools中的行為模塊簡介

在Virtools中也同樣提供了相應(yīng)的行為模塊來實(shí)現(xiàn)粒子效果和形變效果. Virtools中粒子發(fā)射器共分9種，涉及到Particle粒子和Mesh Modifications網(wǎng)格修正兩大類，分別是：對象粒子系統(tǒng)Object Particle System、球狀粒子系統(tǒng)Spherical Particle System、曲線粒子系統(tǒng)Curve Particle System、圓筒料子系統(tǒng)Cylindrical Particle System、直線粒子系統(tǒng)Linear Particle System、點(diǎn)粒子系統(tǒng)Point Particle System、立方體粒子系統(tǒng)Cubic Particle System、平面粒子系統(tǒng)Planar Particle System和圓盤粒子系統(tǒng)Disc Particle System［3］.

通常在虛擬場景模擬燈光、流水和火焰時(shí)，在充分考慮軟硬件配置的前提下，主要是利用Virtools中的“Point Particle System”行為模塊進(jìn)行相應(yīng)的粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì).該行為模塊的主要參數(shù)有Emission Delay表示粒子發(fā)射的間隔時(shí)間；Emission Delay Variance表示粒子在間隔時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的變化；Speed表示粒子發(fā)射的速度；Lifespan表示每個(gè)粒子的生命周期；Lifespan Variance表示每個(gè)粒子在其生命周期內(nèi)產(chǎn)生的變化；Initial Size表示粒子初始大小；Ending Size表示粒子消亡前大小；Initial Color表示粒子初始顏色和通道；Initial Color Variance表示粒子初始顏色和通道的變化等.在運(yùn)用過程中，要根據(jù)實(shí)際情況修改各參數(shù)大小并為其賦于動(dòng)畫紋理貼圖，貼圖文件以2*2像素正方形為主.

2 基于Virtools的粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

2.1 燈光粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬場景中燈光的顏色和閃爍各不相同，燈光的產(chǎn)生由一個(gè)點(diǎn)發(fā)出，產(chǎn)生的粒子以隨機(jī)的方式生成，方向較為分散，速度較快，在一定范圍內(nèi)會感覺到一個(gè)粒子還沒消亡，另一個(gè)粒子就緊跟著出來，當(dāng)粒子的速度超過每秒3 000個(gè)，數(shù)量達(dá)到40 000個(gè)的時(shí)候，粒子就會填滿整個(gè)空間.粒子的產(chǎn)生是隨機(jī)性的，每個(gè)粒子的生命周期也是隨機(jī)的，有的時(shí)間長，有的時(shí)間短，當(dāng)粒子向外運(yùn)動(dòng)時(shí)就會發(fā)生衰減，能出現(xiàn)在最外層的粒子就是那些生命周期最長的粒子，同時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的新粒子最初的顏色也是隨機(jī)生成的，五顏六色千變?nèi)f化，但隨著時(shí)間的推移，粒子的顏色會慢慢變成黑色與周邊環(huán)境融為一體，給用戶的視覺就是中間很密集外面很稀疏，用戶也能感覺到粒子從出生到滅亡的全過程［4］.

燈光粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體方法為：首先在3D Layout的創(chuàng)建區(qū)域點(diǎn)擊3D Frame創(chuàng)建按鈕，設(shè)置坐標(biāo)為0，0，0；然后對其添加“Point Particle System”行為模塊并設(shè)置屬性，其中Emission Delay中Ms屬性為0，Speed屬性為0.05，Speed Variance屬性為0.01，Texture屬性為當(dāng)前貼圖，Initial Texture、Initial Texture Variance、Ending Texture、Eeding Texture Variance的屬性均為0，Texture Frame Count屬性為1；接著右鍵單擊該模塊，選擇Edit Settings，設(shè)置其中Particle Rendering屬性為Radial Sprite，Source Blend屬性為One，Manage Interactors屬性中除Tunnel和Projector不選以外，其它全選；最后在場景中添加攝像機(jī)，將其調(diào)整到合適位置，使用“Set As Active Camera”行為模塊并右鍵單擊Level面板設(shè)置其背景色為黑色，最終效果見圖1.

2.2 火焰粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬場景中火焰都是跳動(dòng)的，火焰的跳動(dòng)是因?yàn)檫x擇了立方體粒子發(fā)射器，每個(gè)粒子從一個(gè)小的立方體中以隨機(jī)的方式進(jìn)行發(fā)射，初始位置和運(yùn)動(dòng)路徑不相同，最終密集起來顯示的形狀也不相同，通過快速的變化形成跳動(dòng)的火苗.然后再通過設(shè)置Scale Affector屬性使其由底部發(fā)射后，在運(yùn)動(dòng)的過程中逐漸變大，顏色使用了Color Affector屬性，設(shè)置最初顏色為紅色，慢慢增加綠色、藍(lán)色的值，當(dāng)增加到一定程序時(shí)，火苗就呈現(xiàn)白色，火苗上面小下面大，透明度由不透明逐漸變化到全透明，最終顯示出由紅變黃再變白的全過程［5］.

火焰粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體方法為：首先在3D Layout的創(chuàng)建區(qū)域點(diǎn)擊3D Frame創(chuàng)建按鈕，設(shè)置坐標(biāo)為0，0，0；然后對其添加“Point Particle System”行為模塊并設(shè)置屬性，其中Emission Delay中Ms屬性為200，Yaw Variance和Pitch Variance中Degree屬性為20，Speed屬性為0.005，Speed Variance屬性為0.001，Lifespan中S為1，Lifespan Variance中Ms為250，Texture屬性為當(dāng)前貼圖，Initial Texture Frame和Initial Texture Frame Variance屬性為0，Texture Speed屬性為100，Texture Speed Variance屬性為20，Texture Frame Count屬性為1，并將相應(yīng)貼圖拖至3D Layout的創(chuàng)建區(qū)域；接著右鍵單擊該模塊，選擇Edit Settings，設(shè)置其中Particle Rendering屬性為Sprite，Source Blend屬性為Source Alpha，Destination Blend屬性為one，Manage Interactors屬性全選；最后在場景中添加攝像機(jī)，將其調(diào)整到合適位置，使用“Set As Active Camera”行為模塊并右鍵單擊Level面板設(shè)置其背景色為黑色，最終效果見圖2.

圖1 燈光模擬效果

圖2 火焰模擬效果

圖3 流水模擬效果

2.3 流水粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬場景中的流水主要以噴灑的形式出現(xiàn)，如水龍頭、噴泉或淋浴等，在制作的過程中，要考慮到水流的效果，如果是水龍頭流出則比較簡單，以直線方式表現(xiàn)即可，如果是以噴泉或淋浴的方式流出，則需要表現(xiàn)一定的弧度，流水要有彎曲的變化.同時(shí)，如果是水龍頭流出，水流可大可小，如果是噴泉或淋浴流出，水流的速度要比較快.流水的源頭可以看作一個(gè)粒子發(fā)射器，流出的水珠就是粒子.無論是水龍頭、噴泉或淋浴，只需要設(shè)計(jì)完成一個(gè)粒子發(fā)射器，表現(xiàn)出一束流水以后，更多的流水改變一下方向和速度通過復(fù)制即可得到［6］.

流水粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體方法為：首先在3D Layout的創(chuàng)建區(qū)域點(diǎn)擊3D Frame創(chuàng)建按鈕，設(shè)置坐標(biāo)為0，0，0，并對其添加“Point Particle System”行為模塊；然后再重新添加兩個(gè)3D Frame，對其重命名為C1、C2，并設(shè)定它們的坐標(biāo)分別為0、-7、-2和9、-13、-4，其中C1的Orientation為0、0、-10；雙擊C1進(jìn)入3D Frame Setup，點(diǎn)選Attribute，添加Particle System Deflectors中的Particle Plane Deflector屬性和Particle System Interactors中的Particle Gravity屬性，并將相應(yīng)貼圖拖至3D Layout中；接著雙擊“Point Particle System”行為模塊設(shè)置其屬性，其中Emission Delay中Ms和Emission Delay Variance中Ms的屬性均為0，Yaw Variance 中Degree屬性為5，Pitch Variance中Degree屬性為2，Lifespan中S為1，Ms為500，Lifespan Variance中Ms為250，Maximum Number屬性為100，Initial Texture Frame、Initial Texture Frame Varianc、Texture Speed、Texture Speed Variance屬性均為0，Texture Frame Count屬性為1；最后在場景中添加攝像機(jī)，將其調(diào)整到合適位置，使用“Set As Active Camera”行為模塊并右鍵單擊Level面板設(shè)置其背景色為黑色，最終效果見圖3.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在開發(fā)基于Virtools的角色扮演類游戲過程中，根據(jù)劇情的發(fā)展可以在不同的場景里添加不同的粒子系統(tǒng).游戲的制作是以片斷為基礎(chǔ)，以在某場景中添加爐火為例，在3DS MAX中將人物、道具等制作成三維模型后導(dǎo)入到Virtools中，然后通過擺放和排列模型的位置比例，設(shè)置一些必要的屬性和參數(shù)，再整體添加火焰粒子系統(tǒng)模塊，就可以看到當(dāng)前游戲片斷的三維場景.實(shí)驗(yàn)證明，在電腦最低配置CPU為inter（R） pentium（R）Dual CPU E2160 1.8 GHZ，2 G內(nèi)存，512 MB獨(dú)立顯卡，操作系統(tǒng)為WinXP，Virtools使用3.0版本的狀態(tài)下，三維場景顯示效果良好且該游戲運(yùn)行流暢，相關(guān)場景片斷效果見圖4.

在實(shí)驗(yàn)中，爐火的燃燒效果依賴于實(shí)行交互的各模塊組合，腳本中基本的屬性及參數(shù)設(shè)置可以保持不變，但火焰中各種粒子生命周期、數(shù)量、大小、發(fā)射速度等需要根據(jù)場景要求重新調(diào)整，所需關(guān)鍵模塊及屬性設(shè)置見圖5、圖6.

圖4 游戲場景片斷效果

圖5 行為模塊腳本設(shè)計(jì)

若想得到更逼真效果，可將電腦硬件配置提高，Virtools使用5.0版本，操作系統(tǒng)也可換成Win7，再根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整相關(guān)模塊的屬性參數(shù)則模似的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性效果更佳，證明該方法穩(wěn)定性和可移值性較好.但需注意的是，Virtools 3.0版本要安裝VC++6.0 Virtools 3.5以上版本要安裝VC.NET，此外還需要安裝DirectX 9.0 SDK.

4 結(jié)語

在粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理的基礎(chǔ)上，利用Virtools自帶的行為模塊進(jìn)行自定義操作，可成功模擬出燈光、火焰和流水等效果模塊組合具有較大的靈活性和適應(yīng)性.實(shí)驗(yàn)證明，通過對模塊參數(shù)、屬性的調(diào)整，適當(dāng)增加隨機(jī)性，可以實(shí)現(xiàn)粒子顯示不同的細(xì)節(jié)層次，加快渲染速度的同時(shí)保證真實(shí)感，能夠滿足虛擬場景的多種需求.但該設(shè)計(jì)方法仍有不足，如顯示效果略顯單薄在刮風(fēng)下雨的情況下無法根據(jù)環(huán)境的變化改變自身狀態(tài)，場景中的角色也無法與其實(shí)現(xiàn)交互性操作等.今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)有關(guān)粒子的分布范圍、生存期限、風(fēng)場變化等方面的研究，嘗試與其他幾何建模相結(jié)合，適當(dāng)引入新的算法，以期模擬出更為真實(shí)的粒子效果.

圖6 行為模塊屬性設(shè)置

參考文獻(xiàn)：

［1］何水艷，丁沂.粒子系統(tǒng)與碰撞檢測的研究［J］.輕工科技，2012，6（6）：71-72.

［2］王兆紅.基于云模型與粒子系統(tǒng)自然雨模擬［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2009，12：102-104.

［3］何琳麟.基于Virtools的初中化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的研究與設(shè)計(jì)［D］.成都：四川師范大學(xué)，2008

［4］王少偉，陳曉青，李頌，等.影視特效粒子系統(tǒng)研究［J］.軟件導(dǎo)刊，2012，11（4）：168-170.

［5］張文輝，郭鋒，林子安.基于粒子系統(tǒng)的Direct3D火焰模擬改進(jìn)算法［J］.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（1）：47-51.

［6］李占利，呂淑麗.基于粒子系統(tǒng)的大規(guī)模漫游環(huán)境實(shí)時(shí)降雨模擬［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2014，31（1）：214-217，228.

（責(zé)任編輯：歐 愷）

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1007-5348（2016）02-0013-05

［收稿日期］2015-11-04

［基金項(xiàng)目］湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（B2015437）.

［作者簡介］王瑜（1980-），男，湖北十堰人，鄖陽師范高等專科學(xué)校副教授，碩士；研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).

Design and Implementation of Virtools Lighting， Water and Flame Particle System

WANG Yu
（Information Technology， Yunyang Teacher's College， Shiyan 442000， Hubei， China）

Abstract:In the virtual reality system， the simulation of light， water and fire is an important part of the construction of virtual reality scene. The 3D virtual reality editing software Virtools provides a lot of powerful custom particle system module， and other modules can be combined by behavior and setting attributes， together with the different perspectives of the camera in the scene， it can achieve these complex special visual effects. Experimental results show that the effect of various particle systems is high， and the module combination is simple， efficient， stable and portable， and it has strong practical value.

Key words:Virtools； virtual reality； particle system； roaming system