基于OSG的粒子系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

摘 要：OSG就是一款高效實(shí)時(shí)的三維圖形開(kāi)發(fā)包，它構(gòu)建于OpenGL圖形函數(shù)庫(kù)之上，全部采用標(biāo)準(zhǔn)C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)， OSG圖形系統(tǒng)[1]主要應(yīng)用于游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)和科學(xué)計(jì)算可視化與仿真領(lǐng)域中的高性能圖形程序的開(kāi)發(fā)。在構(gòu)建虛擬場(chǎng)景后，為了增加虛擬場(chǎng)景的真實(shí)度，加入自然現(xiàn)象能使場(chǎng)景更加的逼真，而在OSG中給我們提供了粒子系統(tǒng)能很好的完成這部分設(shè)計(jì)，本文著重討論基于粒子系統(tǒng)仿真的雪效和雨效，實(shí)踐證明OSG的粒子系統(tǒng)能滿(mǎn)足仿真的要求。

關(guān)鍵詞：OSG；粒子系統(tǒng)；雪效

1 粒子系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 粒子系統(tǒng)概念

粒子系統(tǒng)（particlesystem）是迄今為止被認(rèn)為模擬不規(guī)則模糊物體最為成功的一種圖形生成算法[2]。它構(gòu)建場(chǎng)景的方法與以往不同，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)繪制和造型系統(tǒng)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，而粒子系統(tǒng)采用的是計(jì)算模型，動(dòng)態(tài)的表示物體的運(yùn)動(dòng)。因此，粒子系統(tǒng)采用微小粒子圖元作為基本單位，這些粒子圖元具有顏色、透明度、大小形狀及生命周期等屬性，粒子的生命周期分為產(chǎn)生到活動(dòng)到消亡幾個(gè)階段，因此，在粒子系統(tǒng)創(chuàng)建過(guò)程中，考慮的因素要包括真實(shí)的物理模型，還要考慮粒子的各項(xiàng)屬性規(guī)定[34]，在建立好的場(chǎng)景當(dāng)中也要考慮動(dòng)力學(xué)規(guī)律對(duì)粒子的影響。

1.2 OSG粒子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在OSG環(huán)境中，粒子系統(tǒng)產(chǎn)生的新生粒子位于屏幕上方的圓形區(qū)域內(nèi)。對(duì)于每個(gè)粒子而言，在粒子出生時(shí)就會(huì)有不用的隨機(jī)參數(shù)，但實(shí)際上每個(gè)粒子的真實(shí)意義在于其每幀的位置和速度。

在粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要受到很多外界因素的影響，比如重力、風(fēng)力和空氣阻力等，按照物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)V0為粒子初始速度，S0為粒子的初始位置，粒子的速度V、位置S和加速度a有一下關(guān)系：

1.3 OSG粒子系統(tǒng)的工作過(guò)程

在OSG中，osgParticle類(lèi)是專(zhuān)門(mén)定義用來(lái)模擬粒子系統(tǒng)的，它不但能高效地模擬粒子系統(tǒng)，而且效果生成得非常逼真。

在OSG中使用粒子系統(tǒng)，首先要確定意圖。

其次，建立粒子模板，這一步要確定粒子的形狀，如點(diǎn)（POINT）、線(xiàn)（LINE）、四邊形（QUAD）、六角形（HEXAGON）等，確定粒子的生命周期，以及粒子的角度等因素。

然后要建立粒子系統(tǒng)，設(shè)置粒子的相關(guān)屬性。包括粒子的大?。⊿IZE）、顏色（COLOR）和Alpha值。每組屬性都可以設(shè)置它的最大值和最小值，我們通過(guò)改變這些最大和最小值，對(duì)單個(gè)粒子的渲染進(jìn)行控制，也可以在這兩者之間進(jìn)行線(xiàn)性插值，這樣就有利于管理粒子的生命周期。

接下來(lái)設(shè)置發(fā)射器，主要用來(lái)設(shè)置粒子的初速度、發(fā)射器形狀及發(fā)射粒子的數(shù)目變化等。

另外要設(shè)置操作，用戶(hù)可以通過(guò)對(duì)其中的各種Operator類(lèi)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，如AngularAccelOperator（角加速度）等，改變它們的實(shí)例參數(shù)。

最后在場(chǎng)景中加載粒子系統(tǒng)，更新粒子狀態(tài)。

2 基于OSG粒子系統(tǒng)的雨雪模擬實(shí)現(xiàn)

2.1 粒子系統(tǒng)場(chǎng)景加載渲染技術(shù)

osgViewer庫(kù)可以很好的進(jìn)行渲染操作，此在庫(kù)中定義了一些視口類(lèi)，因而可以將OSG 集成到許多視窗設(shè)計(jì)工具中，包括AGL/CGL，F(xiàn)LTK，F(xiàn)ox，F(xiàn)C，Qt，SDL，Win32，WxWindows，以及X11。這些視口類(lèi)支持單窗口/單視口的程序，也支持使用多個(gè)視口和渲染器面的多線(xiàn)程程序。每個(gè)視口類(lèi)都可以提供對(duì)攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)，事件處理，以及osgDB：：DatabasePager 的支持。osgViewer 庫(kù)包含了以下三個(gè)可能用到的視口類(lèi)。

（1） SimpleViewer：SimpleViewer 類(lèi)負(fù)責(zé)管理單一場(chǎng)景圖形中的單一視口。使用SimpleViewer 時(shí)，應(yīng)用程序必須創(chuàng)建一個(gè)窗口并設(shè)置當(dāng)前的圖形上下文（graphics context）。

（2）Viewer：Viewer 類(lèi)用于管理多個(gè)同步攝像機(jī)，他們將從多個(gè)方向渲染單一的視口。根據(jù)底層圖形系統(tǒng)的能力，Viewer 可以創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)自己的窗口以及圖形上下文，因此使用單一視口的程序也可以在單顯示或者多顯示的系統(tǒng)上運(yùn)行。

（3）CompositeViewer：CompositeViewer 類(lèi)支持同一場(chǎng)景的多個(gè)視口，也支持不同場(chǎng)景的多個(gè)攝像機(jī)。如果指定各個(gè)視口的渲染順序，用戶(hù)就可以將某一次渲染的結(jié)果傳遞給別的視口。CompositeViewer 可以用來(lái)創(chuàng)建抬頭數(shù)字顯示（HUD），預(yù)渲染紋理（prerender textures），也可以用于在單一視口中顯示多個(gè)視圖。

通過(guò)在控制臺(tái)窗口中設(shè)置osgViewer的命令行參數(shù)、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)指令信息、環(huán)境變量參數(shù)等，即可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互功能.

在osg編程中，實(shí)現(xiàn)文件讀取的模塊主要是osgDB工具庫(kù)[6]。可讀寫(xiě)的文件包括模型、視頻、圖像以及文檔等。模型數(shù)據(jù)可以用節(jié)點(diǎn)類(lèi)（Node）來(lái)表達(dá)，在本場(chǎng)景中已經(jīng)建立好了一個(gè)ziran.ive模型，為了將此模型文件讀入場(chǎng)景圖供OSG進(jìn)行渲染，可以使用如下語(yǔ)句：

osg：：Node*node=osgDB：：readNodeFile（“ziran.ive”）：

2.2 雪效仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程

采用預(yù)定義粒子系統(tǒng)，可以試用osgParticle類(lèi)，直接加載到場(chǎng)景中使用，在這個(gè)場(chǎng)景中采用osgParticle：：Precipitation這個(gè)新類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)雨雪的效果。

通過(guò)osgParticle確立粒子模板，設(shè)置粒子的基本屬性，包括粒子的大小，生命周期和變化范圍等，雪從天而降，一直到后期的消失要經(jīng)歷一個(gè)生命周期，尺寸決定了粒子大小，透明度變化范圍（AlphaRange）和顏色變化范圍（ColorRange）———透明度指光線(xiàn)穿透介質(zhì)的程度.粒子的透明度和顏色隨著時(shí)間變化在設(shè)定范圍內(nèi)發(fā)生變化。通過(guò)osgParticle：： ParticleSystem生成粒子系統(tǒng)實(shí)例，利用函數(shù)setDefaultAttibutes生成粒子的材質(zhì)（Texturefile），本場(chǎng)景采用貼圖進(jìn)行渲染，質(zhì)量和粒子半徑?jīng)Q定了粒子的物理屬性，粒子參數(shù)設(shè)置表如下 ：

同時(shí)定義一個(gè)發(fā)射器，模擬發(fā)射器由osgParticle：：ModularEmitter創(chuàng)建。在本場(chǎng)景中由于雪是從天空向下飄，所以放置器的角度是在場(chǎng)景的一定高度，扇面放置器（SectorPlacer）所有粒子由設(shè)定中心（Center）、角度范圍（PhiRange）、半徑范圍（RadiusRange）的扇面產(chǎn)生發(fā)射一個(gè)的范圍，發(fā)射器發(fā)射速度不易太快在添加雪效是設(shè)置為（50，200），在添加雨效時(shí)，速度要適當(dāng)改變，每秒鐘粒子添加粒子個(gè)數(shù)范圍為線(xiàn)性插值介于最大值maxvalue和最小值minvalue之間，在本場(chǎng)景中設(shè)置為（100，300）。粒子在下落過(guò)程中會(huì)收到重力加速度影響，重力加速度對(duì)粒子的生命周期影響意義重大，可增加粒子效果的真實(shí)感，在本例中使用重力加速度默認(rèn)為0.80665f。定義發(fā)射器參數(shù)設(shè)置如下表2：以上是設(shè)置好的粒子系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，把設(shè)置好的粒子系統(tǒng)添加到粒子更新器中，并且要添加到建立好的模型場(chǎng)景中，通過(guò)2.1粒子系統(tǒng)場(chǎng)景加載渲染技術(shù)，把場(chǎng)景加入根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行渲染，得到真實(shí)的雪效，雖然自定義的粒子系統(tǒng)編程較復(fù)雜，但是效果也很逼真。同樣的方法可以實(shí)現(xiàn)雨效，只需要改變相關(guān)參數(shù)，發(fā)射器的發(fā)射速度值和雨的濃度同樣可以仿真現(xiàn)實(shí)中的雨效。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文是在CPU為Inter（R）Pentium（R） Dual Core E5500 1.80 GHz、內(nèi)存為DDR2G、顯卡為英特爾 GMA 4500（M）（HD）集成顯卡配置的PC機(jī)上進(jìn)行運(yùn)行模擬的。顯示器的垂直刷新率為60Hz，可以保證渲染圖像顯示跟屏幕更新保持同步。仿真效果圖1雪效，圖2雨效。

4 小結(jié)

利用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境完成基于粒子系統(tǒng)搭建與仿真，OSG粒子系統(tǒng)可以很好的模仿現(xiàn)實(shí)自然想象，OSG中自定義粒子系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的不同設(shè)定能得到不同狀態(tài)下的雨雪效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用粒子系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景粒子特效，增強(qiáng)了虛擬現(xiàn)實(shí)逼真度，并具有很高的實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)：

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[3]楊述華，廖守億，王仕成，等.基于粒子系統(tǒng)和 Vega的實(shí)時(shí)雨雪模擬[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008，28（6）：238 240.

[4]劉巧紅，單貴.粒子系統(tǒng)在虛擬校園中的應(yīng)用研究.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，21（2）.

[5]施潤(rùn)尼徐波編程指南北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008，08.

[6]張小輝.虛擬交通場(chǎng)景中的雨雪仿真[D].西南交通大學(xué)碩士論文，2010：3537.

作者簡(jiǎn)介：張慧（1980），女，河南登封人，中山大學(xué)工程碩士，現(xiàn)在在廣東財(cái)經(jīng)大學(xué)三水校區(qū)技術(shù)中心分中心工作。