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粒子动画的研究与实现

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目录……………………………………………………………………………………

摘要……………………………………………………………………………...

引言…………………………………………………………………………………

2 基于粒子系统的动态图象生成技术发展状况 ………………………………….           

3粒子系统的基本原理         ……………………………………………………

4 粒子系统的形式描述………………………………………………………..

5 粒子系统的基本模型

5.1 粒子的产生………

5.2 粒子的属性

5.2.1  空间位置属性

5.2.2  外观属性

5.2.3  运动属性

5.2.4  生存属性

5.3 粒子的运动状态

5.4 粒子的消亡

5.5 粒子的渲染

6 粒子系统的基本结构

7 基于粒子系统的焰火的模拟

7.1  焰火的分析

7.2  焰火粒子的属性

7.3  焰火运动模型的构造

7.3.1  焰火粒子的碰撞检测

7.3.2  焰火粒子的运动模型

7.4  坐标变换

7.5  粒子渲染

参考文献………………………………………………………………..

致谢………………………………………………………………………..

附录……………………………………………………………………

中文摘要:随着可视系统的应用日益广泛,人们对可视系统的模拟逼真度的要求也越来越高,人们渴望与自然更相符的可视环境,尤其在飞机、轮船和汽车等的模拟环境中,对自然景物的模拟程度将直接影响训练的效果,因此自然景物的模拟一直是人们研究的重点。

仿真是近代迅速发展起来的一门新兴学科。随着仿真的理论、方法和应用技术研究的不断深入,以及计算机技术的发展,应用数字计算机对实际系统或假想的系统进行仿真越来越受到人们的重视。近年来,网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多项高新技术的发展都加快了仿真技术发展的步伐,可视化仿真、多媒体仿真、分布交互式仿真等新型仿真技术应运而生。仿真技术是一门综合性很强的技术,具有可靠、无破坏性、可多次重复、安全、经济、不受气象条件和场地、空域的限制等特点,被广泛的应用在各种领域。因此,研制开发可视化仿真系统是非常必要的,具有重大的现实意义。

目前,系统仿真技术已经有比较完善的理论基础,相应的系统仿真软、硬件平台也相对成熟,但现有的大部分系统仿真软件都只具有系统建模的功能,在人机接口及可视化方面非常欠缺。

本论文将在对粒子系统理论进行深入研究的基础上,对实时视景仿真中的特殊气象进行模拟。

abstract Is day by day widespread along with the visible system application,the people longed for with visible environment which talliesnaturally, especially in airplane, steamboat and automobile and so on insimulated environment,directly will affect the training to the natural scenery simulationdegree the effect,therefore the natural scenery simulation always is a key point whichthe people studies.

The simulation is an emerging discipline which the modern timesrapidly develops. Along with the simulation theory, the method and theapplication engineering research is unceasingly thorough,as well as computer technology development,the application digital computer carries on the simulation to theactual system or the imaginary system more and more to be valuedpeople's.  In recent years,the network technology, the graph image technology, multimedia, thesoftware engineering, the information processing, the automaticcontrol and so on many high technology and new technologiesdevelopment all sped up the simulation technological developmentstep, visual artificial the simulation, the multimedia simulation, distribute theinteractive simulation and so on the new simulation technology toarise at the historic moment. The simulation technology is a comprehensive very strong technology,has reliable, does not have destructiveness, may duplicate, thesecurity, the economy many times, not meteorological condition andlocation, air zone characteristic and so on limit,by widespread application in each kind of domain. Therefore,The development development visual artificial simulation system is extremelyessential,Has the significant practical significance.

   At present,the system simulation technology already had the quite perfectrationale, but the existing majority of systems simulation software all only hasthe system modelling the function,Is short of extremely in the man-machine connection and visual artificial theaspect.

  The present paper in will conduct the thorough research to the granulesystem theory in the foundation, carries on the simulation to in the real-time ground view simulationspecial meteorology.

 

关键词:   计算机动画;粒子系统模型;;粒子系统方法; 自然景物模拟;

  粒子系统

key words:  computer animation;         particle system model;

 particle system  method;     modeling of natural phenomena;  partical system

构造复杂物体的模型是计算机图形学中的一个新课题,这里的“复杂”是指某种物体的形状无法或很难经典的欧几里德几何来描述。欧氏几何的主要描述工具是直线、平滑的曲线、平面及边界整齐的平滑曲面,这些工具在描述抽象图形或人造物体的形态时是非常有力的,但对一些如树木、云彩、火焰、浪花、雨、雪、山峰等自然景象形态就显得无能为力了。由欧氏几何来看,它们的形体是极端无规则的,动态变化的,在构造这类复杂物体的几何时需要大量的数据,而且这些数据随机性很强,数据库十分复杂,计算量相当大,这在实际应用中是行不通的。由于自然景物规模很大,不同的观察级别具有不同的细节,即使轮廓大致相同的物体,但仔细看起来却各不相同,若要真实地再现它们,则需要大量的设计时间和存储空间,而且生成的景物有可能过于单调,与真实世界相差很远。而对于风、浪等边界模糊的景物更是无法用传统动画描述。

在计算机图形学中,描述这类形态复杂而且不断变化的景物的方法是用一个生成函数,根据一些反映物体几何特征和运动特征的数据,计算出所要描述物体的几何数据,同时根据物体形态变化规律,给出描述形态变化的动态参数,利用这些数据,结合生成函数,就可以完成对一个自然景物描述。成功的方法有FRACTAL模型与粒子系统。FRACTAL模型是1982年提出的,用它可以描述山脉、树木、云彩等景物。而要用它描述由离散粒子组成的景物,以及描述某些现象从开始到结束的全过程,就具有一定的困难。为了描述这类景物,近年来又提出了粒子系统模型。粒子系统具有简单性,用小粒子(如球体)作图元,以粒子充满物体,使其呈现各式各样的形状。同时粒子系统又是一个动态表现过程,其中粒子处于产生、生长、消亡的不断运动中,因此它可以随时间而不断改变其大小、形状。粒子系统的定义是过程化的,并由随机数来控制,故不需要大量的人工设计,就可以得到细致的图象,并且还可以调整显示的细节级别以适应不同的观察要求。由于粒子系统具有以上几个物性,因此它可以逼真地表现具有丰富细节的物体,并且还可以动态的表现自然界景物中某些现象的形成到消亡的过程,而这恰恰是传统手法难以办到的。本文探讨用粒子系统构造模型的基本方法,并给出用粒子系统描绘雪和焰火的实例。

 

 

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