徐才云 喬有金 孔俊

摘要：該文總結了基于粒子系統(tǒng)的戰(zhàn)場特效仿真方法，通過對粒子系統(tǒng)建模過程的分析，抽取戰(zhàn)場特效的共同特性，設計了一個由粒子發(fā)射器、粒子、屬性修改器和渲染器組成的通用粒子系統(tǒng)模型。并通過該模型對虛擬戰(zhàn)場的常見特殊效果進行仿真。

關鍵詞：粒子系統(tǒng)；虛擬戰(zhàn)場；特效；仿真

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）05-1119-03

The Designation for Virtual Battlefield Special Effect Based on General Particle System Model

XU Cai-yun， QIAO You-jin， KONG Jun

（Armored Force Institute of PLA， Bengbu 233050， China）

Abstract： Simulation methods of virtual battlefield special effect base on general particle system model are concluded in this article. Through analyzing process of particle system modeling and extracting common characters of particle system， an particle system model composed of particle emitter， particle， attribute modifier and renderer. Some special effects of virtual battlefield are simulated through this model.

Key words： particle system； virtual battlefield； special effect； simulation

粒子系統(tǒng)用一套完全不同于以往造型、繪制系統(tǒng)的方法來構造和繪制場景，能夠充分體現(xiàn)不規(guī)則物體的動態(tài)性、隨機性和離散性，被公認為是模擬不規(guī)則物體最為成功的一種圖形生成算法。煙霧、爆炸、火焰、閃光等戰(zhàn)場特效，都可以很方便的粒子系統(tǒng)來模擬。然而，如果對每一種戰(zhàn)場特效都使用粒子系統(tǒng)單獨建模實現(xiàn)，會造成大量的人力物力和資源的浪費。為此，該文設計了一種基于虛擬戰(zhàn)場特效的通用粒子系統(tǒng)模型，對虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中的多種戰(zhàn)場特效，只需要簡單地修改和設置相關的參數(shù)，就能夠實現(xiàn)對多種特效的仿真。

1 粒子系統(tǒng)相關定義

用狀態(tài)空間法對粒子、粒子映射和粒子系統(tǒng)描述如下[1]：

1）粒子：一個實數(shù)域內(nèi)具有n個屬性的向量。用符號表示為：

[Pn={A1，A2...Ai...An|n>2，n∈I}]

其中[Pn]（Particles）表示粒子，[A1，A2...Ai...An]（Attributes）表示粒子的n個屬性，如：粒子的大小、形狀、位置、顏色、透明度、速度、加速度、生命周期等。

2）粒子映射：鑒于粒子的索引存儲，每個粒子有且只有一個索引，需要把粒子逆映射到一個正整數(shù)集里，即從[It]到[Pn]的映射，用符號可以表示為：

[Q（t）={Pt：It→Pn|It?M，n>2，n∈I，t∈R}，ω（i）=Pn ]

其中[ω（i）]為索引i所對應的粒子的屬性和狀態(tài)，M為索引集，[Pt]為t時刻所有粒子的映射集合，[Q（t）]為粒子映射。

3）粒子系統(tǒng)：一個粒子系統(tǒng)就是大量粒子在生命周期里不同時刻的表現(xiàn)的綜合，可以由一個粒子映射集的有限集合來表示。轉化為符號語言就是：

[S（t）={Q（t）|t∈{t0，t1，t2 ...ti...tm}} ]

其中[S（t）]為粒子系統(tǒng)在[t0，t1，t2 ...ti...tm]時刻的狀態(tài)集，表現(xiàn)一個粒子系統(tǒng)在生命周期里的動態(tài)變化，[S（t0）]則為粒子系統(tǒng)的初始狀態(tài)。

2 粒子系統(tǒng)建模過程

粒子系統(tǒng)始終處于動態(tài)的變化之中，即不斷有新的粒子產(chǎn)生和舊的粒子消亡。在某一給定幀圖像，產(chǎn)生的粒子數(shù)量可以通過方程來確定，該方程包括一幀上生成粒子的平均數(shù)量和方差，或者是屏幕每單位區(qū)域上粒子的數(shù)量和方差，而粒子消亡是由于生命值耗盡或者其它特殊情況[2]。粒子系統(tǒng)建模過程如圖1所示：

圖1 粒子系統(tǒng)建模過程

粒子系統(tǒng)在生命周期中，先后主要經(jīng)歷四個階段，分別為：產(chǎn)生粒子、更新粒子、刪除死亡粒子和繪制粒子[3]。粒子的產(chǎn)生是在某一特定的空間范圍內(nèi)，按照既定規(guī)律產(chǎn)生一定數(shù)量和初始屬性的粒子。粒子的更新就是粒子屬性和狀態(tài)變化的實現(xiàn)。它是模擬不規(guī)則物體物理特性的關鍵，物理的形態(tài)變化和運動都是通過粒子的更新來表現(xiàn)的。刪除死亡粒子是指將生命值為0或者超出觀察距離的粒子刪除。粒子的產(chǎn)生、更新和死亡形成了一幅動態(tài)的畫面，粒子的繪制就是把這幅畫面在顯示設備上表示出來。

3 通用粒子系統(tǒng)模型設計

以往人們對運用粒子系統(tǒng)模擬特殊效果的研究大致可以分為兩種方法，即特例法和屬性參數(shù)法。特例法就是對某一種特殊效果進行單獨建模、仿真，如基于粒子系統(tǒng)的火焰模擬、基于粒子系統(tǒng)的爆炸模擬等。這種方法重用性和開放性差，會造成大量的人力和物力的浪費。屬性參數(shù)法就是通過設置和改變屬性參數(shù)來控制粒子系統(tǒng)的外形和狀態(tài)，從而模擬出不同類型的特殊效果。這種方法的變化不夠靈活，對不規(guī)則模糊物體的隨機性模擬的真實感不夠強。

根據(jù)實際需要，該文在對經(jīng)典粒子系統(tǒng)理論歸納總結的基礎上，抽取戰(zhàn)場特效的共同特性，建立戰(zhàn)場特效的通用粒子系統(tǒng)模型，用于實現(xiàn)通用的、開放的、可擴充的、可交互的粒子系統(tǒng)，完成對多種戰(zhàn)場特效仿真。

3.1 通用粒子系統(tǒng)框架設計

虛擬戰(zhàn)場特殊效果的種類很多，表現(xiàn)各異，為每一種特效都進行編程實現(xiàn)需要大量的代碼。為了簡化模型的實現(xiàn)和增加通用性，該文按照粒子系統(tǒng)戰(zhàn)場特效仿真的一般過程，通過對各種戰(zhàn)場特殊效果的具體分析，抽取不同特效的共同特性，根據(jù)其功能將通用粒子系統(tǒng)劃分成五個基本模塊，如圖2所示。其中粒子系統(tǒng)類模塊是最主要的控制模塊，它提供對所有特效的共性的控制，而各種特效的特性根據(jù)其它模塊來實施控制。粒子發(fā)射器控制特效的外形，屬性修改器控制特效的隨時間的運動變化，粒子渲染器控制特效的最終顯示效果。

圖2 粒子系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)首先設計好了多種粒子發(fā)射器，如：點粒子發(fā)射器、圓形粒子發(fā)射器、方形粒子發(fā)射器、柱形粒子發(fā)射器等。當仿真特效需要的時候直接使用相應的發(fā)射器即可，如果某一中新的特效仿真確實需要用到一種新的發(fā)射器時，開發(fā)者可以根據(jù)需求設計好后添加進發(fā)射器類中。屬性修改器是根據(jù)一定的規(guī)則設計好用來對粒子屬性進行修改的模塊，如：顏色修改器、速度修改器、位置修改器等。渲染器是基于GPU的可編程著色器設計的，各個著色器都有相應的功能[4]。

3.2 系統(tǒng)模型詳細設計

通用粒子系統(tǒng)，要滿足粒子系統(tǒng)的管理、粒子的產(chǎn)生、更新、渲染等需求，需要使用大量的代碼，而且對渲染部分的控制使用的編程語言還不同，在一個程序中實現(xiàn)顯然困難較大[5]。如果把通用粒子系統(tǒng)模型分成粒子系統(tǒng)模塊、粒子發(fā)射器模塊、屬性修改器模塊以及渲染器模塊，分別對各模塊進行編程實現(xiàn)，編程的難度要小多了。而且這種做法還可以提升代碼的重用性以及方便屬性和功能的擴充。比如粒子系統(tǒng)中的發(fā)射器模塊，若只設計了圓形、線性、球形發(fā)射器等，當新的特效仿真需要用到柱形發(fā)射器時，就只需要在模塊下，添加一個繼承于發(fā)射器類、又具有柱形特征的柱形發(fā)射器的類就可以實現(xiàn)了，操作起來十分簡便。

通過以上分析，該文設計了通用粒子系統(tǒng)模型類結構圖，如圖3所示。

圖3 通用粒子系統(tǒng)模型類圖

模型中各個類的功能如下：

粒子系統(tǒng)管理類，負責管理場景中所有的粒子系統(tǒng)，這些粒子系統(tǒng)實現(xiàn)了戰(zhàn)場中所有對仿真要求較高的特殊效果。

粒子系統(tǒng)類：管理本系統(tǒng)中的所有粒子。

粒子發(fā)射器類：發(fā)射滿足不同效果的具有一定初始值和特定變化規(guī)律的粒子。

屬性修改器類：根據(jù)粒子屬性的變化規(guī)律動態(tài)地更新粒子形狀和狀態(tài)。

粒子渲染器類：就是綜合實現(xiàn)粒子的各種效果，把系統(tǒng)模擬的最終效果渲染出來。

4 實驗效果

通用粒子系統(tǒng)可以完成對一個場景中多個不同精度不同種類戰(zhàn)場特殊效果的同時仿真實現(xiàn)，關鍵是要通過判定視點距離來區(qū)分仿真方法，分析各個常用戰(zhàn)場特殊效果的特征確定相應的粒子發(fā)射器和屬性的更新規(guī)則。利用本文的通用粒子系統(tǒng)模型構建的爆炸特效如圖4所示，火焰特效如圖5所示。

圖4 爆炸特效

圖5 火焰特效 （下轉第1125頁）

（上接第1121頁）

5 小結

本文從粒子系統(tǒng)的相關定義入手，通過對粒子系統(tǒng)建模過程的分析，抽取虛擬戰(zhàn)場特效中的共同特性，建立了戰(zhàn)場特效的通用粒子系統(tǒng)模型，對其結構及功能進行了深入的研究，并使用該模型實現(xiàn)了多種常見的戰(zhàn)場特效，具有很好的應用價值。

參考文獻：

[1] 華澤璽，王迎春，孫建順.基于粒子系統(tǒng)的爆炸效果仿真研究[J].計算機科學，2012.39（4）：278-281.

[2] 羅軍.基于流的粒子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].成都：四川師范大學，2007.

[3] 張芹等.基于粒子系統(tǒng)的建模方法研究[J].計算機科學，2003.30（8）：144-146.

[4] 曹陽勇.真實感通用粒子系統(tǒng)的實時渲染研究與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2011.

[5] 吳繼承，江南.虛擬現(xiàn)實中粒子系統(tǒng)的設計與應用[J].計算機仿真，2004，11（21）：137-140.