[發(fā)明專利]一種基于粒子系統(tǒng)的火焰模擬加速改進算法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110063186.1
• 申請日: 2011-03-16
• 公開（公告）號: CN102147928A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發(fā)明（設計）人: 吳慶標;張尋;李冬平;劉春玲
• 申請（專利權(quán)）人: 美通日用品（杭州）有限公司
• 主分類號: G06T15/00
• 分類號: G06T15/00;G06T13/60
• 代理公司: 杭州宇信知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 33231
• 代理人: 張宇娟

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及一種基于粒子系統(tǒng)的火焰模擬加速改進算法。

背景技術(shù)

在計算機圖形學中，如何渲染模糊物體一直是一個研究的熱點。所謂的模糊物體(Fuzzy?Object)是指像火，云之類的沒有固定邊界的物體。這類物體是自然的重要組成部分，因而在游戲，電影，動畫以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)中都占據(jù)了重要的地位。這類物體在真實感圖形的研究領域中一直是一個難題。傳統(tǒng)的計算機模擬手段通常是通過三角曲面片來逼近自然物體的表面。然而在模擬模糊邊界的物體時，這種方法就不適用了。邊界的復雜性和動態(tài)性使得三角片的構(gòu)造異常復雜，并且在更新時需要大量的計算，這些都不符合實時性的要求。因此人們開始尋求新的模擬模糊物體的方式。

現(xiàn)有的模擬方法主要有兩種，一種是基于紋理模型的，比如Perlin噪聲算法(Perlin?Noise?algorithm)，這種方式主要是通過計算對紋理映射進行擾動，以產(chǎn)生更加接近自然的紋理。另一種是基于物理模型的，也就是粒子系統(tǒng)。粒子系統(tǒng)是由William?Reeves在1982年提出的。他詳細描述了粒子系統(tǒng)的概念和粒子系統(tǒng)的構(gòu)架方式。在之后的近30年間，他的粒子系統(tǒng)模型一直是現(xiàn)代粒子系統(tǒng)的基礎。Reeves的粒子系統(tǒng)可以概述為以下模型：每個粒子的屬性都可以表示為一個均值和一個隨機值的加和。均值表現(xiàn)出粒子的基本形態(tài)，隨機值在渲染的時候生成，以產(chǎn)生模糊邊界的效果。粒子具有生命周期。生命周期內(nèi)，每一幀可通過加速度計算粒子的速度，進而計算粒子的位移。粒子的顏色由初始顏色與末端顏色以粒子生命為參數(shù)插值得到。當粒子生命結(jié)束時，系統(tǒng)將重新給粒子賦予新的生命和屬性。

在現(xiàn)代的粒子系統(tǒng)中，主要有以下兩個新的結(jié)構(gòu)：1、粒子發(fā)射器。粒子發(fā)射器主要是由于決定粒子出生時的初始速度和位移。這樣使得用戶或開發(fā)者對?粒子的形態(tài)有更好的控制。另外，粒子發(fā)射器可以很好的模擬燃燒物的幾何形態(tài)，如圓柱，球等。這樣可以處理更多不同類型的火焰。2、作用力管理器。作用力是用于決定每一幀中粒子的加速度。粒子系統(tǒng)中的作用力主要分為兩種：常規(guī)作用力(如風場，渦旋力，拉力等)和隨機作用力(如氣流等)。通過常規(guī)作用力可以很好的塑造火焰的外觀，隨機作用力則用于增強火焰的動態(tài)和自然感。

在火焰模擬中，最影響效率的主要是兩個步驟：計算和渲染。對于渲染步驟通常的做法是采用GPU(Graphic?Processing?Unit，圖形處理器)程序設計，將需要繪制的數(shù)據(jù)直接寫入顯卡的緩存中。在計算上，劉寧等在第31屆IEEE國際計算機軟件與應用年會上提出了一種軌跡法來減少粒子系統(tǒng)的計算量(可參見文獻Ning?Liu，Rong?Li，Zhenyu?Yang，Hongyang?Chao.An?OptimizationMethod?for?Real-Time?Natural?Phenomena?Simulation?on?WinCE?Platform.31stAnnual?IEEE?International?Computer?Software?and?Applications?Conference，2007，Vol.2，pp.57-62)。對于大規(guī)模渲染而言，假定需要渲染m個粒子，軌跡法先挑出n個粒子進行預處理，其中n＜＜m。預處理的過程就是讓這n個粒子在給定的粒子系統(tǒng)中經(jīng)歷一次生命周期，并且將每一幀這些粒子的屬性都記錄下來。假定一個粒子總共有k幀的話，這k幀就構(gòu)成了這個例子的一個軌跡。預處理結(jié)束后粒子系統(tǒng)就有了n條軌跡。之后再進行真正的粒子數(shù)據(jù)的計算和渲染。粒子屬性計算的方式如下：對于m個粒子，每個粒子出生時選定隨機一條軌跡，之后每一幀都復制選定軌跡的下一幀的屬性。當粒子到達軌跡的末端時，再重新選擇一條軌跡開始進行新的一輪的計算，直到系統(tǒng)退出。

可以看到軌跡法極大的減少了粒子系統(tǒng)的計算量。事實上，每一幀的計算量僅僅是復制m個粒子屬性結(jié)構(gòu)所花的時間。但是，相應的這個方法付出的代價是火焰的真實感大大下降。由于大量的粒子只能沿較少的軌跡運動，而且軌跡時靜態(tài)的，即在預處理階段生成后就不再更新，因此火焰的自然性得不到保證。另外，對于大規(guī)模表面燃燒而言，當n個軌跡無法覆蓋整個表面時這個方法是不適用的，因為粒子僅能選取n個固定的發(fā)射點。

發(fā)明內(nèi)容