基于粒子系统的不规则景物建模研究

摘要

如何逼真地模拟自然景物一直是图形学中的一个热门研究课题和难点问题。火焰、云烟、雨滴、雪花等动态自然景物的模拟，在航空航天、影视广告、虚拟场景中有着广泛的应用。然而大多数景物的外形是随机变化的，很难用常规的建模方法及模拟技术来描述。因此自然景物的模拟一直以来都是计算机图形学领域研究的热点和重点。随着近年来研究的不断深入，各种自然景物模拟算法不断涌现，模拟结果也越来越具有真实感。其中，粒子系统方法是迄今为止被认为模拟不规则模糊自然景物最为成功的一种生成算法。 本文基于粒子系统，对自然界中不规则景物——火焰，降雨等分别进行了模拟，首先，介绍了粒子系统的基本理论，着重讲解粒子系统构造模型的基本方法，把粒子系统实际运作分为粒子属性确立、粒子产生、粒子更新、粒子绘制等几个步骤，并对每个操作步骤进行详细说明将粒子系统分为质点系模型系统和流质系模型系统，阐述这两种模型系统的特点列举了两个质点系模型粒子系统的例子，对这两个例子按照前面所讲粒子系统运作步骤逐步讲解，展示每一步的操作细则，最后论述在粒子渲染时所用到的图形学技术。 其次，深入讨论了基于粒子系统的火焰模拟方法，详细讨论了火焰模型中火焰粒子属性的初始化及其变化，包括火焰粒子的形状、大小、颜色、透明度、位置、速度、生命期等，并且讨论了火焰粒子的运动和绘制。 采用面向对象的思想建立了粒子系统和粒子的数据结构。设计了火焰模拟系统的功能模块，将该系统划分为四个模块粒子系统模块、粒子模块、纹理模块和运动场模块。在火焰绘制过程中，为了增强真实感，采用了纹理映射技术、公告板技术、混色处理技术。特别是为了表现火焰来回左右上下跳动的动态摇曳效果，在系统中增加了运动场。在运动场中重点讨论了重力和风力对火焰的影响。为了提高实时性，在火焰粒子绘制中，一是采用四角面片代替点粒子的绘制方法，这样每一个面片可以代替几百个粒子二是采用动态生成视点替用特效技术，提高了系统的运行速度。在论文的最后，探讨了提高粒子系统实时性的方法。 再次，简单介绍了基于粒子系统的其他不规则自然景物降雨的模拟方法，并对雨粒子模型在实际中的应用做了相关说明，同时还介绍了在降雨模拟中提高逼真度的相关辅助补偿方法。然后，论文设计了一个基于粒子系统的演示系统，采用VC++6.0为编程工具，三维动画环境由OpenGL支持，实现了论文提出的对不规则景物的模拟。 最后，总结和分析本论文研究的意义和应用的成果，对论文的进一步研究方向提出了几点想法。并且展望了粒子系统及本论文的不规则景物模拟模型应用的前景，浅谈了关于粒子系统在不自然景物建模中实时性，真实感的创新与改进的几点想法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的提出以及研究的目的和意义

1.2景物建模技术的种类以及研究现状

1.3本文研究工作概述

1.4本文的结构与安排

第二章粒子系统模型与基本思想

2.1计算机图形学相关知识

2.1.1三维图形学基础

2.1.2 OpenGL简述

2.2粒子系统基本思想

2.3粒子系统的优势与研究现状

2.4粒子系统的基本模型

2.4.1粒子的生成

2.4.2粒子的属性及其初始化

2.4.3粒子的运动变化

2.4.4粒子的死亡

2.4.5粒子的绘制

2.5小结

第三章 基于粒子系统的火焰模拟

3.1引言

3.2火焰粒子的定义

3.3火焰粒子的生成

3.3.1火焰粒子的生成区域与位置

3.3.2火焰粒子的生成数量

3.4火焰粒子的属性以及初始化

3.4.1火焰粒子的初始形状和大小

3.4.2火焰粒子的初始颜色

3.4.3火焰粒子的初始速度和加速度

3.4.4火焰粒子的初始生存期

3.5火焰粒子的运动变化

3.5.1火焰运动分析及简化

3.5.2运动场的运动

3.5.3火焰粒子的运动

3.5.4火焰粒子的属性变化

3.6火焰粒子绘制的方法与技术

3.6.1火焰粒子的绘制方法

3.6.2纹理映射技术

3.6.3公告板技术(BillBoard)

3.6.4混色处理

3.7粒子系统在模拟景物过程中实时性与真实感研究

3.7.1提高粒子系统实时性的方法研究

3.7.2提高粒子系统真实感的方法研究

3.8小结

第四章 基于粒子系统的雨模拟

4.1引言

4.2雨粒子系统

4.2.1雨的行为描述

4.2.2雨粒子系统组成

4.3雨滴的属性

4.3.1空间位置属性

4.3.2外观形状属性

4.3.3运动速度属性

4.3.4雨滴粒子的生存周期

4.4降雨模拟实时性与真实性研究

4.5小结

第五章 粒子系统的设计实现

5.1编程工具简介

5.2演示系统各模块设计

5.2.1粒子系统模块

5.2.2粒子模块

5.2.3粒子系统纹理模块

5.2.4运动场模块

5.3景物模拟实例子

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.1.1实时性方面的工作

6.1.2真实感方面的工作

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文与参与项目