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1、中南民族大学 硕士学位论文 粒子系统在视景仿真中的研究和应用 姓名：辛玲 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：童小念 20080525 中南民族大学硕士学位论文 I 摘 要 在虚拟仿真场景中，喷泉、火焰、水流、雨、雪等景物具有不规则几何状态、 动态性和随机性，这些特殊景观的模型比较复杂，实时播放中的运算量较大。为 了保证视景仿真的实时性， 对特殊景观的建模一直是视景仿真领域和计算机图形 学领域中研究的热点。 粒子系统是实现动态不规则景物模糊效果的有效方法， 它使用大量粒子的聚 集灵活地构成特效景物， 用简单的粒子图元构造出传统计算机图形学难以构造的 复杂模糊物体，具有很强的真实
2、感，能够很好地体现景物的动态性和沉浸感。粒 子系统是虚拟现实技术中的主要研究内容之一。 鉴于粒子系统建模的灵活性和有效性， 本文研究了粒子系统的基本原理及应 用， 探讨了粒子系统的建模方法以及适用于自然景物动态模拟的粒子属性的通用 描述公式，并选取自然景物中的特效景观作为动态模糊物体代表，以 OpenGL 三 维图形函数库作为绘图工具，在 VC+的开发环境下对不规则的、模糊的、动态 的自然景观进行了模拟，最后利用 Vega 的回调函数及融合技术，将 OpenGL 编 程实现的特殊景观移植到虚拟现实的 Vega 环境中，实现了一个基于粒子系统的 虚拟自然景观实例。 本文的创新点在于结合牛顿重力学
3、的基本理论， 对特效景物提出了简化的粒 子系统力学模型，旨在降低粒子系统的计算量，保证特效景物在视景仿真中的实 时性能。 视景仿真的实验结果表明， 本文建立的粒子系统算法具有较强的有效性和实 时性，采用粒子系统算法对特效景观建模，具有灵活性和高效率，其自然景观的 模型在虚拟仿真环境下展现了实时逼真的三维效果。 关键词：视景仿真；粒子系统；特殊景观；模型；Vega；OpenGL 粒子系统在视景仿真中的研究和应用 II A B S T R A C T In the virtual simulation scene, the natural sceneries such as fountain, f
4、ire, water- stream, rain and snow have anomalistic, dynamic and stochastic features. The special landscape model is more complicated, and needs a large number of computing in real- time player. In order to ensure the real- time characteristic of visual simulation, modeling of special landscape has b
5、een a hotspot in the field of visual simulation and computer graphics research. Particle system is an effective method for representing fuzzy effect of dynamic and anomalistic objects of nature. It gathers a large number of particles to affect a scene flexibly. It structures the complex fuzzy object
6、s which are difficult to construct in traditional computer graphics by simple particle elements. It can also reflect the dynamics and immersion of the sceneries with highly reality. Particle system is one of the main research content in the virtual technology of reality. In view of the particle syst
7、em modeling flexibility and effectiveness, the paper studies the basic theories and applications of the particle system，and discusses method of modeling and the common formula of the particle attributes which go for the scene dynamic simulation. Then, the paper chooses the special landscape to simul
8、ate the anomalistic, fuzzy and dynamic characteristic under VC+ by the OpenGL function. Finally, the paper transplants the special landscape which realizes by the OpenGL to the virtual reality by the callback function and fusion of Vega. It realizes an example of virtual landscape based on particle
9、system. In the paper, a new idea is using Newtonian to simplify particle model. It guarantees the real- time characteristics of the special sceneries of better effect during the virtual simulation. The experimental result of visual simulation shows that the particle system algorithm is more effectiv
10、e, and modeling special landscape produced by the particle system algorithm is more flexible and efficient. The model of the special sceneries of better effect can produce the vivid effect of three- dimensions in virtual simulation. Keywords: Visual simulation; Particle system; Special landscape；Mod
11、eling; Vega; OpenGL 中南民族大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查 阅和借阅。 本人授权中南民族大学可以将本学位论文的全部
12、或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 中南民族大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 自然景物的模拟是计算机图形学中具有挑战性的课题之一， 这主要是因为自 然景物的表面包含丰富的细节或具有随机变化的形状，造型相对困难。不规则特 殊物体如山、水、云、烟、雨、雪等特殊景观的模拟，在虚拟现实系统和计算机 图形学中一直受到广泛关注。 目前，对不规则物体的模拟已经有较多的算法和理论，如
13、 JoStarm 和 EugeneFiume建立的紊流模型1； Pakeshi等提出的基于细胞自动机的火焰模型2； D.S.Ebert 等提出的用定义实体纹理的方法3来表示气体及其运动， 并通过变化纹 理参数实现动画等。模拟效果较好的方法应首推 Reeves 的粒子系统理论，它是 迄今为止被认为模拟不规则模糊物体最为成功的一种图形生成算法4，它具有良 好的随机性和动态性，能逼真地模拟动态景物。因此，研究利用粒子系统方法模 拟自然景物，有着重要的科学意义和广泛的应用前景。 本文在对粒子系统理论进行深入研究的基础上， 对实时视景仿真系统中的特 殊景观进行模拟，探讨简化的粒子算法模型，以保证视景仿真
14、中的实时特性。 1 . 1 视景仿真 视景仿真是 21 世纪最有前景的高科技技术之一，它是计算机技术，图形图 象技术，光学技术，控制技术等多种高科技的结合，是延伸人类感觉器官的一门 科学。 1 . 1 . 1 仿真动画 随着计算机图形图像技术的迅速发展， 计算机在动画制作中的应用范围越来 越广泛，其内涵也不断扩大。目前计算机在动画制作中的应用主要分为两大类： 计算机辅助动画(即二维动画)和计算机生成动画(即三维动画)。 仿真动画是最为直接地表现模型行为的图形技术方法。 将仿真技术与动画技 术相结合，利用动画把仿真过程描述得更直观、更形象，可以达到以下目的： （1）提高了高仿真精度和统计数字的有
15、效性，通过对仿真动画的一致观察， 使决策者对系统的动态特性的把握更加清楚，从而更准确地分析统计结果； （2）改善人人界面和人机界面，仿真动画给仿真建模者提供了直观的 粒子系统在视景仿真中的研究和应用 2 模型及其运行状况，增强了仿真的可信度： （3）验证建模的准确性和可靠性，减少模型开发时间。因为模型的错误可 通过动画直观地显示出来，及时加以纠正，提高了仿真结果的正确性。 仿真结果的可视化不仅能够加快加深仿真人员对仿真对象变化过程的认识， 而且可以发现通常通过数值信息很难发现的现象，获得意料之外的启发与灵感， 从而缩短仿真试验周期，提高仿真效率。由于实时三维动画仿真可以在仿真实时 运行过程中展
16、示模型中的实体运动及其相应属性的动态变化规律， 使研究人员对 系统模型得到概念化及形象化的理解，知道系统已经发生的或将要发生的变化。 目前，实时三维动画已广泛应用于仿真可视化研究中。 一般来说，动画技术应用于仿真有两种方式： （1）非实时仿真动画方式。在这种方式下，先运行仿真程序，实体运行轨 迹连同仿真过程全部保存下来，仿真运行结束后，作为动画的驱动数据实现模型 画面的刷新；或者先建立仿真模型，并建立仿真的动画轨迹，用后处理的方式渲 染仿真动画。但这种方式需要大量的存储开销，而且由于动画画面不是基于图形 模型描述的(动画画面的建立独立于模型的建立)，难免出现动画画面与模型的不 一致。另外，用户也不能在仿真运行过程中实时地进行监控，不能够及时地根据 动画所显示的仿真结果来修改仿真模型， 即不具备动画与仿真的交互能力。 但是， 正因为这种仿真动画技术不要求具有实时的交互能力， 它可以通过建立更真实逼 真的仿真表现模型(如三维几何模型和真实纹理模型等)，使仿真的场景更加逼 真，并以最真实的方式来再现仿真的过程和结
