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1、毕业设计文献综述计算机科学与技术基于粒子动画的动漫游戏场景情绪表现方法研究摘要：粒子系统是现今为止模拟不规则模糊景物最成功的一种图形生成算法，运用Direnct3D中的点精灵作为粒子图元的渲染方法具有一定的灵活性。关键词：粒子系统自然界中的一些景物如火焰、雪花、浪花、烟云、水波、星空、瀑布、喷泉等，这些景物的共性是没有固定的形状，没有规则的几何外形，而且随着时间发生不确定的变化。在以往图形学的研究中，通常使用几何体建模的方法来模拟研究对象的外形，这对于“模糊”物体是不适用的。因为这些“模糊”物体是无法用多边形或者曲面来表示，而且数学建模的方法无法描述其形状的不确定变化。这样“粒子系统”的产生，
2、就应用于模拟不规则的“模糊”物体。粒子系统最早是由Reeves提出的，随后就成了构建具有“模糊”形状物体的计算模型方法。粒子系统是现今为止模拟不规则模糊景物最成功的一种图形生成算法，它采用了不同于以往造型、绘制系统的方法来构造、绘制景物。一个物体不再是由一组曲面或多边形来表示，而是由成千上万个不规则、随机分布的粒子图元所组成，它们不断改变形状、不断运动，这就充分体现了模糊景物的不规则性、动态性和随机性。对于任何物体，不论是固态、液态、气态，如树木、水、云烟等，都可以认为是由最简单的粒子构成。这符合物理学的定律：“物体都是由最基本的微粒构成的”。粒子系统是一个动态的系统，它是随着时间的推移，系统
3、中存在的粒子不断改变形状、不断运动，还会不断的有新粒子加入系统，旧粒子从系统中消失。一、 粒子系统的国内外研究状况自从1983年由ReevesW.T提出粒子系统以来，许多的研究者对粒子系统进行了研究与发展。Reeves W.T用粒子系统模型模拟了火焰、爆炸等效果，他还成功模拟了电影(Star Trek II：The Wrath of Khan)中行星被撞击后所产生的爆炸及火焰等一系列特殊效果。1985年Rcev鼯W.T和Blau发展了粒子系统，他们用“Volume Filling”基本单元法生成随时问改变形状但又基本保持不变的实体，如随风飘动的花草树叶：McAlliste结合OpenGL，用C
4、+开发了一套粒子系统API。利用这API可以很方便地对运动的物体进行动态模拟，首先将粒子的活动进行简单的分和描述，然后对粒子系统进行场景渲染，能模拟多种自然景物：Stam和Fiume用“元球”来描述火焰等气态现象，并给出了一种扭曲“元球”的算法，使模拟的气态景物的外形更加不规则，从而更加真实；Karl Sims研究了粒子的动画及绘制算法，他利用粒子系统的并行特点，提出了一个并行的粒子绘制系统，该系统能绘制不同形状、大小、颜色、透明度的粒子；Wong使用粒子系统实现了一个简单的瀑布模型，在该模型中设黄了瀑布下落过程中的障碍(如岩石)；Foumier A等在研究海浪模型中利用粒子系统模拟了浪花，并
5、提出了浪花所产生的条件；Teng-S Loke等人基于粒子系统，使用牛顿运动定律来描述烟火，对烟火的运动、颜色、形状、亮度、尾迹等进行仿真，取得了很好的效果。M.E.Goss使用粒子系统模拟了船行驶时产生的尾迹，他主要是从外形上模拟船的尾迹。Matthias Unbescheiden和Andrzej Trembilski运用粒子系统，从云的物理原理出发，结合纹理映射技术建立了云的模型，其核心是采用具有纹理的多面体顶点集代替粒子群，该模型大大减少了粒子系统中粒子的数量，从而使粒子系统的实时仿真得以实现。国内人员对粒子系统的研究也在深入，一些研究人员利用粒子系统实现了火焰、烟、云、导弹尾气等复杂景
6、物的效果，如谢剑斌，郝建新等运用粒子系统模拟了雨点和雪花的降落；彭群生和管宇实现了瀑布的模拟；徐利明与姜昱明实现了雨、雪的效果；张芹、吴慧中等模拟了火焰、烟等所具有的动态性和随机性；王润杰，田景全等人在分析粒子系统的基础上提出了模拟雨雪的实时算法；王静秋等通过对焰火细节和特点的分析，给出了模拟焰火的数据结构，用粒子系统实现了焰火的动态模拟，其中主要介绍了焰火的颜色、亮度，透明度、形状、大小、尾迹和生命周期等特性及旋转、星状等特殊显示效果的模拟。一些研究人员利用粒子系统对喷泉进行了一些研究，如：马骏和朱衡君基于动态纹理和粒子系统实现了对喷泉的模拟，其方法是渲染一定量的图像作为贴图纹理，采用bil
7、lboard技术和动态纹理技术实现纹理喷泉的绘制，但缺乏灵活性；万华根等模拟了喷泉水流效果，其方法是通过求解Navier-Stokes方程的一个特例模拟水流效果，并用元球作为粒子图元，采用光线跟踪算法绘制，因此实现较为复杂；赵静谧，张慧等提出了用基于粒子系统与ParticleSystemAPI的景物模拟方法，并采用Line方式渲染粒子，结合纹理映射方法对喷泉进行了模拟；张从辉，万华根从物理建模技术出发构建了音乐喷泉模型。二、常见的粒子运动模型粒子运动中粒子产生的时候都具有一定的初始属性，粒子作为质点，按照动力学的规律进行运动。以下是几种常见的运动形式：(1)直线运动：粒子的位置和速度变化遵循下
8、面的原则。V=Vo+adt (式3-1)P=Po+Vdt (式3-2)其中V为粒子速度，Vo为初始速度，a为粒子加速度，P为粒子位置，P0为粒子初始位置。(2)阻尼运动：在当前运动方向上的粒子根据阻尼的作用，其速度根据某种比例减少，一般取V=Vo(1一dt) (式3-3)其中d为阻尼运动的阻尼因子，d【0，1】。(3)螺旋运动：螺旋运动能按照给定轴进行旋转，以产生粒子的翻滚等效果，使速度方向发生改变。(4)反弹运动：反弹运动能改变粒子运动速度的大小与方向。对于无能量损失的反弹运动，类似于光的反射Vo=V一2(VoN)N， (式3-4)其中N为反射面的法向量。三、粒子系统的实现步骤粒子的“产生”
9、、“运动”和“消亡”使粒子系统可以生成一系列运动的场景，一般而言，粒子系统模拟不规则物体，生成每一瞬间画面都要进行以下的基本步骤：(1)生成新的粒子加入到粒子系统中；(2)为新生的粒子设置初始属性；(3)根据粒子的运动规律对粒子进行移动和变换(即粒子的运动)；(4)将粒子系统中已经消亡的粒子删除；(5)绘制并显示由有生命粒子组成的图像；粒子系统具体步骤的实现在喷泉粒子系统中进行祥细地讨论。四、发展动向和趋势当今世界，人们对动漫游戏和动画都追求高质量的3D效果，可见3D编程的发展前景还是很广泛的。粒子系统在模拟自然景物的研究领域方面已经开辟了一片空间，在今后的虚拟场景等研究领域内，粒子系统仍有很
10、大的发展空间。参考文献：【1】(德)Engel，WF，Dirc03D游戏编程入门教程，周惟迪，徐翎，张壬璐意译第二版北京：人民邮电出版社，20051【2】陈前华，邓建松，陈发来滴水涟漪的计算机动画模拟计算机研究与发展，2001538(5)：524-528【3】尚晶晶Direct3D游戏开发技术详解北京：人民邮电出版社，20062【4】丁展Visual c_卜+游戏开发技术与实例北京：人民邮电出版社，20052【5】D C McAllisterDocumentation for Particle SystemAPIEBOL，1999【6】赵静谧，张慧，郑国勤基于粒子系统的喷泉模拟J计算机应用研究
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