[發(fā)明專(zhuān)利]基于GS的粒子系統(tǒng)在風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下構(gòu)建流線(xiàn)動(dòng)畫(huà)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710036116.4
• 申請(qǐng)日: 2017-01-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106920271B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 錢(qián)進(jìn);費(fèi)建芳;黃小剛;程小平;洪亮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 錢(qián)進(jìn);費(fèi)建芳;黃小剛;程小平;洪亮
• 主分類(lèi)號(hào): G06T13/60
• 分類(lèi)號(hào): G06T13/60;G06T1/20
• 代理公司: 北京科億知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

1.一種基于GS的粒子系統(tǒng)在風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下構(gòu)建流線(xiàn)動(dòng)畫(huà)的方法，其特征是由大量的粒子帶構(gòu)成風(fēng)場(chǎng)流線(xiàn)動(dòng)畫(huà)，每一個(gè)粒子帶是以m個(gè)控制頂點(diǎn)為基礎(chǔ)，由相應(yīng)的三角面構(gòu)成；一個(gè)粒子帶即為風(fēng)場(chǎng)流線(xiàn)動(dòng)畫(huà)中的一條運(yùn)動(dòng)的流線(xiàn)；

先建立控制點(diǎn)處理模塊，用于對(duì)構(gòu)成每條風(fēng)場(chǎng)流線(xiàn)的粒子帶的控制點(diǎn)進(jìn)行起始位置、生命周期、強(qiáng)度要素的控制；再建立幾何著色器GS模塊，用于在顯卡可編程管道的幾何著色器GS處理階段，在所述控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)地在顯卡內(nèi)部生成更多的頂點(diǎn)，從而構(gòu)成渲染每個(gè)粒子帶所需的三角面；

具體步驟包括：

1)對(duì)風(fēng)速劃分了n個(gè)等級(jí)，從色譜中選取了n種顏色作為風(fēng)速大小的示意；

創(chuàng)建了一個(gè)一維紋理，該紋理為1×n個(gè)像素點(diǎn)，這n個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)所述的n種顏色；該一維紋理用于在后續(xù)步驟的幾何著色器GS中用作風(fēng)速的取樣信息；

2)控制點(diǎn)生成模塊：

將屏幕區(qū)域劃分成多塊相同面積的控制子區(qū)域，每個(gè)控制子區(qū)域的范圍內(nèi)有N個(gè)粒子帶；

設(shè)每個(gè)粒子帶的生存時(shí)間為T(mén)秒，隨后消亡，并隨后在該控制子區(qū)域的其它位置隨機(jī)重新生成，那么在每一秒內(nèi)，控制點(diǎn)生成模塊在每一個(gè)控制子區(qū)域內(nèi)隨機(jī)生成N/T個(gè)控制點(diǎn)；

3)粒子帶的構(gòu)成：

每個(gè)粒子帶是由C個(gè)控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的2×(C-1)個(gè)三角面組成，每?jī)蓚€(gè)三角面組成一個(gè)四邊形，四邊形的四個(gè)頂點(diǎn)以相應(yīng)的控制點(diǎn)為參考；

在頂點(diǎn)進(jìn)入顯卡可編程流水線(xiàn)處理之前，先通過(guò)CPU的計(jì)算、指定控制點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)位置；然后在顯卡的幾何著色器GS處理階段，在每個(gè)控制點(diǎn)的四周動(dòng)態(tài)地生成4個(gè)頂點(diǎn)，這4個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成所述兩個(gè)三角面；

4)控制點(diǎn)頂點(diǎn)的元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：

經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，

生存時(shí)間，

強(qiáng)度，

顏色和透明值，

當(dāng)前控制點(diǎn)和下一個(gè)控制點(diǎn)的偏角；

5)控制點(diǎn)的位置計(jì)算：

一個(gè)粒子帶用到了C個(gè)控制點(diǎn)，用含有步驟4)列出的元素構(gòu)建頂點(diǎn)數(shù)據(jù)數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)這些控制點(diǎn)的信息；

控制點(diǎn)位置計(jì)算的頻率是每隔一幀計(jì)算一次：雖然每條粒子帶由C個(gè)控制點(diǎn)構(gòu)成，但是每次計(jì)算的時(shí)候，只計(jì)算最新時(shí)刻的一個(gè)控制點(diǎn)；

新控制點(diǎn)的位置為上個(gè)控制點(diǎn)的位置加上其在當(dāng)前幀受到風(fēng)場(chǎng)影響下的偏移位置；

6)當(dāng)前控制點(diǎn)與上一個(gè)控制點(diǎn)的偏角值計(jì)算：

該偏角值的作用是在GS階段中，根據(jù)控制點(diǎn)構(gòu)建四邊形時(shí)，確定四邊形四條邊的角度；偏角值的計(jì)算是每隔一幀計(jì)算一次；

7)控制點(diǎn)強(qiáng)度的計(jì)算：

強(qiáng)度值反映風(fēng)速的大小，設(shè)風(fēng)場(chǎng)最小風(fēng)速為0，最大風(fēng)速為Vmax，把該控制點(diǎn)的強(qiáng)度值重新映射到區(qū)間[0,1]內(nèi)；

8)控制點(diǎn)生存時(shí)間的計(jì)算：

生存時(shí)間表明了一個(gè)粒子帶在屏幕上可見(jiàn)的時(shí)間范圍；

粒子帶新生成時(shí)，生存時(shí)間賦值為0，以后每幀渲染前，該數(shù)值加1；

如果到了設(shè)定的結(jié)束時(shí)間，則重新清空該控制點(diǎn)數(shù)組，然后對(duì)控制點(diǎn)數(shù)組的第一個(gè)控制點(diǎn)在當(dāng)前控制子區(qū)域內(nèi)重新隨機(jī)賦予新的初始位置；則一個(gè)粒子帶在到了預(yù)定的時(shí)間消亡后又隨機(jī)在當(dāng)前控制子區(qū)域的另外一處位置重新開(kāi)始顯示了；

9)頂點(diǎn)著色器VS階段：用于將顯卡的輸入裝配單元IA傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)提交給隨后的GS；在頂點(diǎn)著色器VS中，數(shù)據(jù)不做任何處理，該頂點(diǎn)著色器VS只起到了傳遞數(shù)據(jù)的作用；

10)幾何著色器GS階段：

先將頂點(diǎn)著色器VS傳遞過(guò)來(lái)的控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行世界矩陣-觀察矩陣-投影矩陣的變換，變換之后，控制點(diǎn)的坐標(biāo)即為屏幕空間的坐標(biāo)；

接下來(lái)，動(dòng)態(tài)生成圍繞該控制點(diǎn)的四個(gè)頂點(diǎn)來(lái)構(gòu)建四邊形，該四邊形是由2個(gè)三角形拼成：

設(shè)定四邊形的上下兩邊為垂直于該控制點(diǎn)的偏角方向，將控制點(diǎn)垂直偏角方向左移一個(gè)像素得到點(diǎn)PA,將控制點(diǎn)垂直偏角方向右移一個(gè)像素得到點(diǎn)控制點(diǎn)右移一個(gè)像素得到PB，這樣粒子帶的寬度變?yōu)?個(gè)像素寬；

四邊形的左右兩邊和該控制點(diǎn)的偏角方向平行，即

由點(diǎn)PA沿著平行偏角方向移動(dòng)當(dāng)前控制點(diǎn)和上個(gè)控制點(diǎn)的位置差得到點(diǎn)PC；

由點(diǎn)PB沿著平行偏角方向移動(dòng)當(dāng)前控制點(diǎn)和上個(gè)控制點(diǎn)的位置差得到點(diǎn)PD；

四邊形的四個(gè)頂點(diǎn)在屏幕上的位置計(jì)算出來(lái)之后，給這四個(gè)點(diǎn)的顏色賦值，在步驟7)中，控制點(diǎn)的強(qiáng)度已經(jīng)歸一化到[0,1]之間，把該強(qiáng)度值作為紋理坐標(biāo)UV參數(shù)的U值，V值取0.5，在步驟1)生成的1×n紋理上取樣，取樣得到的顏色值賦給頂點(diǎn)；

11)像素著色器PS階段：

幾何著色器GS階段生成的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)顯卡渲染的光柵化操作后傳入像素著色器PS，像素著色器PS將接收到的像素渲染到渲染表面，最后在屏幕上顯示出每幀的圖像。