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计算机三维建模
浅谈个人对粒子系统的认识
摘要:模拟自然界动态景物一直是计算机图形学领域的研究热点。由于自然界动态景物拥有大量的细节信息和随机变化的形状,有着与规则几何物体明显的区别,因此使用传统的几何面片来模拟这些细节和随机变化的形状相对困难。针对这种情况,1983年Reeves首次提出了粒子系统原型。所谓的粒子系统,就是将人们看到的物体运动和自然现象,用一系列运动的粒子来描述,再将这些粒子运动的轨迹映射到显示屏上,在显示屏上看到的就是物体运动和自然现象的模拟效果了。使用粒子系统能够相对充分地体现自然景观中模糊物体的随机性和动态性,从而得到良好的模拟效果。
关键字:粒子粒子系统模拟
一、粒子系统的基本概念
粒子系统表示三维计算机图形学中模拟一些特定的模糊现象的技术,而这些现象用其它传统的渲染技术难以实现真实感。经常使用粒子系统模拟的现象有火、爆炸、烟、水流、火花、落叶、云、雾、雪、尘、流星尾迹或者像发光轨迹这样的抽象视觉效果等等。其基本思想是把不规则形状的物体看作是许多粒子所组成的,各个粒子都有自己的属性,粒子的这些属性随时间的推移而不断地改变,从而模拟出不规则物体及其运动变化的过程。当然,这些粒子都有其各自的生命周期,它们都要经历“产生”、“运动和生长”及“消亡”这三个阶段。也正因为粒子系统是一个有“生命”
的系统,才能不像传统方法那样只能生成瞬时静态的景物画面,而是可以产生一系列运动进化的画面,这使得模拟动态的自然景物成为可能。
二、粒子系统的基本原理
粒子系统把要模拟的不规则物体定义为大量随机分布的微小粒子图元,在粒子系统中,粒子图元的形状可以是小球、立方体、正四面体或者其它形体。每个粒子都有一组属性, 如初始运动方向、初始大小、初始颜色、初始透明度、初始形状以及生命期等,并在其运动和生长过程中随机地改变这些属性。系统中可以不断有新粒子的加入,旧粒子的消亡。
利用粒子系统模拟物体的基本步骤:
1、分析物体的静态特性,定义粒子所具有的属性;
2、建立粒子属性变化规律;
3、将产生的新粒子加入系统中(初始化粒子);
4、赋予每一新粒子一定的属性(更新粒子),并将其生命周期递减一时间步;
5、删去那些已经超过生存期的粒子;
6、根据粒子的动态属性对粒子进行移动和变换;
7、绘制并显示由有生命的粒子组成的图像;
步骤3~7反复循环即形成物体的动态变化过程
三、粒子系统的生命周期
每一粒子的生命周期如图:
四、常见的粒子运动模型
粒子运动中粒子产生的时候都具有一定的初始属性,粒子作为质点,按照动力学的规律进行运动。以下是几种常见的运动形式[1]:
(1)直线运动,粒子的位置和速度变化遵循下面的原则所示:
P=P0+∫Vdt, V=V0+∫adt
其中 P 为粒子位置,P0 为粒子初始位置,V 为粒子速度,V0 为初始速度,a 为粒子加速度。
(2) 阻尼运动,在当前运动方向上的粒子根据阻尼的作用,其速度根据某种比例减少,一般取值如下所示:
V=V0(1-d×△t)
其中 d 为阻尼运动的阻尼因子,d=[0, 1]。
(3) 螺旋运动,螺旋运动能按照给顶轴进行旋转,以产生粒子的翻滚等效果,使速度方向发生改变。
(4) 反弹运动,反弹运动能改变