基于粒子系统的火焰的实时模拟与绘制

摘要

视景仿真是虚拟现实技术在实际应中的热门研究课题之一，其中包括对火焰、云雾、雨雪、沙尘、浪花等动态自然景物和现象的模拟与绘制，在气象预报、航空航天、装潢广告等领域有着广泛的应用。自然景物具有丰富的表面纹理和不规则的表面外形，并且能够随时间的推移而动态地、随机地发生变化，因此很难使用传统的计算机图形学的建模方法来生成；如何简化且有效地模拟诸如火焰、云雾、雨雪、沙尘、浪花等不规则自然景物和现象成为计算机真实感图形生成的关键问题。粒子系统能够充分体现这类景物的动态性和随机性，其优点在于使用简单的粒子图元来构造出传统计算机图形学难以构造的复杂物体，而且具有很强的真实感和实时性。 本文在认真分析和总结目前国内外火焰模拟方法的基础上，结合视景仿真对虚拟场景的需求和应用，以友好的交互性、较强的真实感和实时性为目标，提出一种基于粒子系统对火焰模拟的新方法。所做的主要工作和研究成果如下： 通过对火焰运动的热力学进行分析，从物理的角度对火焰不规则状态进行动态的随机的模拟；建立火焰粒子系统，使用纹理映射技术，用多边形面片代替经典粒子系统中的点光源粒子来绘制火焰，从而大大减少了系统的粒子数量，提高了系统的实时性。 本文基于WindowsXP操作系统，集成开发环境为VisualC++6．0与OpenGL开放图形库编程实现；开发了基于粒子系统的火焰模拟演示系统，生成的动态火焰具有真实的视觉效果，并且满足了实时的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

第1章绪论

1.1计算机图形学与虚拟现实简介

1.2课题研究背景和意义

1.3国内外研究现状

1.4本文所做的工作

1.4.1本文主要研究内容

1.4.1本文的组织结构

第2章粒子系统

2.1粒子系统概述

2.2粒子系统基本原理

2.2.1粒子系统的分类

2.2.2粒子系统的特点

2.3粒子系统的基本模型

2.3.1粒子系统的形式化描述

2.3.2粒子的生成

2.3.3粒子属性初始化

2.3.4粒子的运动

2.3.5粒子的消亡

2.3.6粒子的绘制

2.4粒子系统基本结构

2.5本章小结

第3章基于粒子系统的火焰模拟

3.1火焰的本质

3.2火焰运动分析

3.3火焰粒子模型分析

3.4火焰粒子的生成

3.5火焰粒子的运动

3.6火焰粒子的消亡

3.7火焰粒子的绘制

第4章火焰模拟效果的改进

4.1不同外力合成作用下的火焰效果模拟

4.2纹理映射技术

4.3公告板技术(Billboard)

4.4 Alpha混合处理算法

4.5本章小结

第5章火焰模拟演示系统的设计与实现

5.1系统开发平台

5.2系统开发工具简介

5.3系统设计路线

5.4系统流程与实现

5.4.1虚拟火焰系统流程图

5.4.2系统模块与实现

5.5火焰模拟效果演示

5.5.1纹理映射对火焰效果的影响

5.5.2风力场中的火焰模拟效果

5.6实时性分析

第6章结论与展望

6.1本文总结

6.2展望

参考文献

致 谢

在学期间公开发表论文及著作情况