粒子系統(tǒng)綜述報(bào)告

1、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院粒子系統(tǒng)綜述報(bào)告姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：年 月 日摘 要如何逼真地模擬自然景物一直是圖形學(xué)中的一個熱門研究課題和難點(diǎn)問題?；鹧妗⒃茻?、滴、雪花等動態(tài)自然景物的模擬，在航空航天、影視廣告、虛擬場景中有著廣泛的應(yīng)用。然而多數(shù)景物的外形是隨機(jī)變化的，很難用常規(guī)的建模方法及模擬技術(shù)來描述。因此自然景物的模擬一直以來都是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。隨著近年來研究的不斷深入，各種自然景物模擬算法不斷涌現(xiàn)，模擬結(jié)果也越來越具有真實(shí)感。其中，粒子系統(tǒng)方法是迄今為止被認(rèn)為模擬不規(guī)則模糊自然景物最為成功的一種生成算法。關(guān)鍵字：圖形學(xué)；粒子系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實(shí)；真實(shí)感引言虛擬現(xiàn)實(shí)(簡稱VR),又稱

2、靈境技術(shù),是以沉浸感、交互性和構(gòu)想為基本特征的計(jì)算機(jī)高級人機(jī)界面。現(xiàn)今,從軍用到民用,從工業(yè)到商業(yè),從自然景觀虛擬到人文景觀虛擬,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣1。隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)展,在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中,有一些景觀很難用簡單的幾何圖元來表示,這類景觀主要是一些離散的或者動態(tài)的自然景觀和人文景觀,例如煙、星星、噴泉和煙花等等 2。1983年由W. T. Reeves等首次系統(tǒng)地提出了粒子系統(tǒng)方法3。此方法被認(rèn)為是迄今為止模擬不規(guī)則模糊物體，最為成功的一種圖形生成算法。在計(jì)算機(jī)虛擬仿真領(lǐng)域，應(yīng)用粒子系統(tǒng)模擬不規(guī)則模糊物體的方法，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。本文通過對粒子系統(tǒng)的闡述、研究現(xiàn)狀、建模及仿

3、真以及對模型的優(yōu)化，有了一個詳細(xì)地描述，從而使大家對粒子系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，有了更為直接的了解，最后通過分析現(xiàn)有粒子系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的不足，對于粒子系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，提出了自己的看法。1 粒子系統(tǒng)的概念及其研究現(xiàn)狀1.1 什么是粒子系統(tǒng)粒子系統(tǒng)是一種典型的物理建模系統(tǒng)，它是用簡單的體素完成復(fù)雜運(yùn)動的建模4。粒子系統(tǒng)由大量稱為粒子的簡單體素構(gòu)成，每個粒子具有位置、速度、顏色和生命期等屬性，這些屬性可根據(jù)動力學(xué)計(jì)算和隨機(jī)過程得到。而一個粒子需要被賦予哪些屬性，主要取決于被模擬對象5。1.2 粒子系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀（1）隨機(jī)粒子系統(tǒng)。主要通過可控制的隨機(jī)過程，控制粒子屬性的變化。1983年Reeves首次系統(tǒng)地

4、提出了應(yīng)用粒子系統(tǒng)，模擬虛擬場景中不規(guī)則物體的方法，模擬出煙花綻放的過程，并在電影StarTrek 1中繪制了星系爆炸的場面。從那之后，人們對粒子系統(tǒng)使用范圍進(jìn)行了進(jìn)一步的拓展，使得粒子系統(tǒng)能夠擬火焰、煙花67、煙霧810、飛機(jī)飛行的特效11、噴泉，甚至是水中航行的船只的航行軌跡1213。（2）流體粒子系統(tǒng)。粒子的運(yùn)動軌跡受流體力學(xué)的影響。比如，模擬地下煤礦礦井內(nèi)氣流，可以描述礦井發(fā)生火災(zāi)時火焰的擴(kuò)散情況14，類似的還有陶瓷輥道窯內(nèi)進(jìn)行陶瓷燒制時火焰軌跡的建模1516。粒子系統(tǒng)也能夠?qū)σ后w進(jìn)行建模，Liu Xue-mei用粒子系統(tǒng)模擬外科手術(shù)出血情況17。粒子系統(tǒng)甚至能夠在高密度、高粘度、高壓

5、力、高溫度等極端的條件下，模擬出了巖漿流動的情況18。（3）方向粒子系統(tǒng)。考慮粒子間的相互影響，粒子除了具有速度和位置等動態(tài)屬性外，還必須有方向?qū)傩?。這樣的粒子系統(tǒng)，主要模擬織物、可變形物體和剛體等。1987年，Reynolds把粒子系統(tǒng)看成是一組相互影響的粒子組成的，每一個粒子的具體位置，受與其相關(guān)粒子的影響。在這個理論基礎(chǔ)上OlafEtzmuss通過對連續(xù)介質(zhì)的小改動，得到了耦合粒子系統(tǒng)，這個粒子系統(tǒng)中的粒子是相互關(guān)聯(lián)的，并用以此來模擬變形的物體19。Bernhard Eberhardt，基于耦合粒子系統(tǒng)系統(tǒng)理論，對紡織物進(jìn)行了建模。同時，Szeliski和Richard提出基于粒子系統(tǒng)的

6、模擬彈性表面的方法，也可以對紡織物進(jìn)行建模。（4）結(jié)構(gòu)化粒子系統(tǒng)。主要用來模擬具有一定結(jié)構(gòu)的物體或現(xiàn)象。1985年，Reeves發(fā)展了粒子系統(tǒng)，他們用“Volume filling”基本單元，去生成隨時間改變形狀但又基本保持不變的實(shí)體，如隨風(fēng)飄動的花草樹葉20。袁琪在2007年利用粒子系統(tǒng)虛擬作物器官21。Rhys Goldstein在生物學(xué)醫(yī)藥領(lǐng)域，用粒子系統(tǒng)來模擬神經(jīng)元末梢，并且取得了很好的效果22。法國的Eric Galin用粒子系統(tǒng)模擬出吊燈、雕塑品等具有隱性曲面造型的物體。1.3 小結(jié)自粒子系統(tǒng)概念提出后，該系統(tǒng)受到越來越多的重視, 不少研究人員對它進(jìn)行應(yīng)用研究, 具有代表性的研有：

7、用結(jié)構(gòu)化粒子系統(tǒng)模擬樹林和樹林中草叢覆蓋的地面, 用近似概率性算法來解決關(guān)于粒子系統(tǒng)渲染時的明暗和可見面問題，用固定粒子數(shù)的粒子系統(tǒng)結(jié)合分布式行為模型模擬了鳥群的飛行。提出了一種同時適用于可變形物體和固體的表面建模方法方向粒子系統(tǒng)。并由此產(chǎn)生了許多利用粒子系統(tǒng)來模擬自然景物的方法。2 粒子系統(tǒng)的建模與仿真粒子系統(tǒng)是一個動態(tài)的模型，粒子在系統(tǒng)中要經(jīng)過“產(chǎn)生”、“運(yùn)動”和“消亡”這3個階段。隨著時間的推移，系統(tǒng)中舊的粒子不斷消失，新的粒子不斷加入。系統(tǒng)中“存活”的粒子，其位置及生命值亦隨時間變化而變化，其正常運(yùn)行的關(guān)鍵，是確定粒子的初始屬性、粒子的變化規(guī)律和繪制等因素23。在粒子生命期的每一刻，都

8、要完成以下5步工作24：（1）粒子源產(chǎn)生新粒子，并賦予粒子屬性后加入系統(tǒng)中；（2）根據(jù)粒子的動態(tài)屬性，對粒子進(jìn)行移動和變換，同時更新粒子屬性；（3）判斷粒子的生命值；（4）刪除那些已經(jīng)超過其生命周期的粒子；（5）繪制并顯示由有生命的粒子組成的圖形。2.1 粒子系統(tǒng)的生成粒子的產(chǎn)生，采用隨機(jī)過程函數(shù)來控制。每一幀產(chǎn)生的粒子數(shù)目，直接影響到畫面的效果，常使用下面兩種方法來進(jìn)行定義25:（1）第 fn幀產(chǎn)生新粒子數(shù)目 NParts（fn）定義為：NPartsf=MeanPartsf+Rand()VarPartsf （1）其中，Rand是在區(qū)間為-1.0，1.0上均勻分布的隨機(jī)函數(shù)，MeanParts

9、f是新產(chǎn)生粒子的平均值；VarPartsf是新產(chǎn)生粒子的方差。（2）為了有效控制粒子的層次細(xì)節(jié)和繪制效率，還可以根據(jù)單位屏幕面積所具有的平均粒子數(shù)和方差，來確定進(jìn)入粒子系統(tǒng)的粒子數(shù)，則式（1）可以修改為：NPartsf=(MeanPartssaf+Rand()VarPartssaf)ScreenArea （2）其中，MeanPartssaf和VarPartssaf分別表示第f幀每單位屏幕面積上產(chǎn)生粒子數(shù)目的平均值和方差，ScreenArea是粒子系統(tǒng)的屏幕面積。在式（2）中，能夠有效地避免用大量粒子來模擬在屏幕上投影面積很小的景物，因而大大提高了算法的繪制效率。為了能夠使粒子系統(tǒng)在強(qiáng)度上增加或

10、者減少，設(shè)計(jì)者一般采用線性函數(shù)公式，使得每一時刻每幀中平均粒子的數(shù)量不同MeanPartsf=InitialMeanParts + DeltaMeanParts（f-f0） （3）或者M(jìn)eanPartsf=InitialMeanPartssa+DeltaMeanPartssa（f-f0） （4）其中，f是現(xiàn)在的幀數(shù)；f0是粒子系統(tǒng)中最初的幀數(shù)；InitialMeanParts是粒子系統(tǒng)最初幀中的平均粒子數(shù)；DeltaMeanPartssa是粒子數(shù)的變化率。因而，為了控制粒子系統(tǒng)中粒子的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)者只要指f0或者InitialMeanParts，DeltaMeanParts，Varparts或者

11、InitialMeanPartssa，DeltaMeanPar- tssa，Varpartssa的參數(shù)即可。2.2 粒子的屬性任何新產(chǎn)生的粒子，都必須賦予它們一定的初始屬性。粒子的初始屬性，可以進(jìn)行如下描述:（1）初始位置；（2）初始速度（速率和方向）；（3）初始大??；（4）初始顏色；（5）初始透明度；（6）形狀；（7）生命期。2.3 粒子的運(yùn)動粒子一旦產(chǎn)生，并具有一定的初始屬性之后，它們便開始運(yùn)動。粒子需要在初始運(yùn)動屬性的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出其他時刻的運(yùn)動屬性。2.4 粒子的繪制和渲染26粒子繪制的技術(shù)主要有（1）點(diǎn)粒子的繪制；（2）面粒子的繪制；（3）線性粒子的繪制；（4）隨機(jī)形狀粒子的繪制。實(shí)

12、現(xiàn)粒子渲染的手段，主要采用光照、陰影、濃淡以及消隱處理技術(shù)。有些情況下，粒子被認(rèn)為是光源，此時可以忽略消隱，簡化濃淡處理，只以粒子的灰度或者顏色，來加亮相應(yīng)的象素。2.5 粒子的死亡當(dāng)粒子一旦產(chǎn)生之后，就被賦予了生存期，一般都是用幀來計(jì)算粒子的生存期，其隨著粒子的運(yùn)動而遞減。當(dāng)遞減到零時，粒子“死亡”。此時，當(dāng)從系統(tǒng)中將該“死亡”粒子刪除。在實(shí)際的應(yīng)用中，也可以采用其他的方式來度量粒子的死亡。例如,當(dāng)粒子的顏色和透明度低于系統(tǒng)設(shè)定值，或者粒子的運(yùn)動超出了規(guī)定的區(qū)域，這些情形都可以根據(jù)實(shí)際的要求，認(rèn)為粒子已經(jīng)死亡27。2.6 粒子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法隨著圖像處理的硬件和軟件的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)粒子系統(tǒng)的技術(shù)也

13、獲得了進(jìn)一步的發(fā)展，主要反映在處理器、開發(fā)平臺、渲染軟件和數(shù)據(jù)存儲等方面。（1）影響粒子系統(tǒng)實(shí)時性能的瓶頸，就CPU的通訊以及CPU的并行處理能力，而在最新計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由于實(shí)現(xiàn)了CPU和GPU的合理分工，數(shù)據(jù)和指令存儲交換的場所也由系統(tǒng)內(nèi)存，擴(kuò)展至GPU顯存，同時數(shù)據(jù)交換總線發(fā)展到PCI Express總線，并利用GPU的多通道處理性能，可以很方便地實(shí)現(xiàn)大量的并行計(jì)算，這使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時處理能力，大幅度提高28。（2）粒子系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的通用平臺是VisualStudio2930，也有專門的仿真可視化平臺，比如Vega Prime、3D Studio Max31。（3）粒子系統(tǒng)中的粒子渲染

14、的工具很多，高速OpenGL渲染引擎，具有相當(dāng)?shù)撵`活性和可擴(kuò)展性3233，能夠滿足在普通PC機(jī)上模擬不規(guī)則的自然景物的需求。其次是DirectDraw，DirectDraw允許用戶直接訪問圖形硬件，管理用于顯示的內(nèi)存，提供高速圖形和頁面切換動畫。（4）吳繼承設(shè)計(jì)出粒子系統(tǒng)的API，采用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套高效的粒子生成、管理方法，并采用高速OpenGL渲染引擎，使用了粒子組管理粒子，使之能夠滿足在普通PC機(jī)上模擬大數(shù)據(jù)量動態(tài)場景的需求34。3 粒子系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)粒子系統(tǒng)涉及的計(jì)算量相當(dāng)龐大和復(fù)雜，所以粒子系統(tǒng)優(yōu)化研究也越來越受重視，因?yàn)檫@樣可以節(jié)省計(jì)算資源，提高計(jì)算效率。一般來說有以下幾

15、種優(yōu)化的技術(shù)：3.1 繪制效率優(yōu)化35粒子系統(tǒng)運(yùn)行的最終結(jié)果，是在屏幕上繪制每個粒子形態(tài)這個過程，需要一定的時間，影響了系統(tǒng)的實(shí)時性。繪制效率優(yōu)化，就是采用特定方法，減少粒子繪制時間，進(jìn)而提高速度。優(yōu)化包括系統(tǒng)級和代碼級兩種：系統(tǒng)級主要采用高速緩存保存編譯過的繪圖代碼，使用時不需再次編譯；代碼級主要基于人眼分辨率限制，少繪制或不繪制人眼不敏感或看不到的區(qū)域。繪制效率優(yōu)繪制效率的優(yōu)化包括為：（1）顯示列表；（2）公告板技術(shù)；（3）幾何形體優(yōu)化；（4）多級粒子系統(tǒng)。3.2 計(jì)算復(fù)雜性優(yōu)化36粒子系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要大量計(jì)算，如碰撞檢測、速度調(diào)整、內(nèi)存分配、算術(shù)運(yùn)算、循環(huán)判斷等。這些計(jì)算消耗系統(tǒng)資源，

16、間接表示時間復(fù)雜度大小，對系統(tǒng)實(shí)時性影響比較大，處理不好將嚴(yán)重影響系統(tǒng)速度。在計(jì)算復(fù)雜度的優(yōu)化方面主要有：（1）碰撞檢測與處理優(yōu)化；（2）存儲方式優(yōu)化；（3）運(yùn)動過程優(yōu)化；（4）線性表；（5）局部力場。3.3 粒子數(shù)量的優(yōu)化粒子數(shù)量優(yōu)化，就是在不影響系統(tǒng)真實(shí)感的前提下，盡可能地減少粒子數(shù)量，減少空間復(fù)雜度。粒子數(shù)量的優(yōu)化我們主要采用的技術(shù)包括：（1）結(jié)構(gòu)化粒子；（2）LOD技術(shù)；（3）偽粒子系統(tǒng)。4 總結(jié)粒子系統(tǒng)可以在各種各樣的環(huán)境下，對很多模糊的或者是隱性曲面、彈性曲面的物體，進(jìn)行建模仿真。目前基于粒子系統(tǒng)仿真研究，主要局限于計(jì)算機(jī)圖形的模擬，雖然在粒子仿真的圖形中加入了重力和風(fēng)力的作用，但

17、這種外力并不是使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算出來的，而是為了烘托模擬出來的圖像效果,是用外力的。另外，由于對自然現(xiàn)象等大規(guī)模場景進(jìn)行實(shí)時仿真渲染，需要高性能設(shè)備支撐，因此在實(shí)際仿真時，往往以犧牲場景的真實(shí)感作為代價(jià)。為了使基于粒子系統(tǒng)的仿真，在更大的范圍內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用，在粒子系統(tǒng)建模時，考慮加入一些特定環(huán)境下的空氣動力學(xué)的影響因素，結(jié)合風(fēng)力和重力的專業(yè)計(jì)算數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的逼近函數(shù)，作用于粒子系統(tǒng)仿真中，使得仿真結(jié)果更具真實(shí)性。為了解決真實(shí)感仿真與實(shí)時仿真的矛盾，可以使用并行仿真計(jì)算方法，解決單個設(shè)備計(jì)算能力參考文獻(xiàn)1 龐 新，王相海. 基于 OpenGL 的禮花粒子系統(tǒng)模擬研究J.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2008，35

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