第第6章章 粒子系统粒子系统6.1粒子系统粒子系统概述概述6.2粒子系统的生成原理粒子系统的生成原理6.3粒子系统程序设计实例粒子系统程序设计实例附录：附录：3dsmax的的粒子系统粒子系统6.1 粒子系统粒子系统概述概述 粒子系统是最实用的过程动画技术粒子系统是最实用的过程动画技术之一所谓过程动画是指物体的运动之一所谓过程动画是指物体的运动或变形可由一个过程来描述最简单或变形可由一个过程来描述最简单的过程动画是用一个数学模型去控制的过程动画是用一个数学模型去控制物体的几何形状和运动，如旗帜、水物体的几何形状和运动，如旗帜、水波随风的运动较复杂的过程动画则波随风的运动较复杂的过程动画则是包括物体的变形、弹性理论、动力是包括物体的变形、弹性理论、动力学、碰撞检测在内的物体的复杂运动学、碰撞检测在内的物体的复杂运动 粒子系统被认为是迄今为止模拟不规则模粒子系统被认为是迄今为止模拟不规则模糊物体最为成功的一种图形生成算法这一糊物体最为成功的一种图形生成算法这一方面的先驱是方面的先驱是W.T.Reeves,W.T.Reeves,他在他在19851985年发表年发表的论文中成功地提出了一种模拟不规则自然的论文中成功地提出了一种模拟不规则自然景物生成和动画的系统，也就是所谓的粒子景物生成和动画的系统，也就是所谓的粒子系统。
系统 文献：Approximate and probabilistic algorithms for shading and rendering structured Particle System. Computer graphics,1985 粒子系统的发展粒子系统的发展 为了实现对这类不规则物体的真实感显为了实现对这类不规则物体的真实感显示示, ,国内外学者一直在努力探索国内外学者一直在努力探索, ,先后提出先后提出了多种方法例如，了多种方法例如，L L系统、分形法构图等系统、分形法构图等各种方法相比而言各种方法相比而言, ,粒子系统产生的图像质粒子系统产生的图像质量高量高, ,运算代价不高运算代价不高, ,且适合于中低档的硬且适合于中低档的硬件平台件平台, ,所以，已被大量运用在大量所以，已被大量运用在大量3D3D软件软件中（见中（见附录附录） 粒子系统的发展粒子系统的发展 粒子系统在电影粒子系统在电影“星球大战星球大战”中的中的出色表现，使得人们对这一技术刮目出色表现，使得人们对这一技术刮目相看，目前，粒子系统巳被广泛应用相看，目前，粒子系统巳被广泛应用于各个领域尤其在视频特技制作中，于各个领域。
尤其在视频特技制作中，人们常希望产生用常规拍摄方式难以人们常希望产生用常规拍摄方式难以产生的自然特效和模拟群体行为产生的自然特效和模拟群体行为 粒子系统的应用粒子系统的应用 影视作品星球大战剪辑影视作品星球大战剪辑水墨画仿真水墨画仿真粒子系统作品粒子星云 为了能更清晰的理解现有的各种粒为了能更清晰的理解现有的各种粒子系统，可以根据粒子间的作用关系将子系统，可以根据粒子间的作用关系将粒子系统分为三类：粒子系统分为三类： 粒子分类粒子分类 独立粒子系统独立粒子系统; ;固定联结的粒子系统固定联结的粒子系统; ; 动态联结的粒子系统动态联结的粒子系统. . 独立粒子系统独立粒子系统 独立粒子系统独立粒子系统, ,即粒子间是独立的即粒子间是独立的, ,无相互作用独立系统用来模拟生成例无相互作用独立系统用来模拟生成例如火、烟、雾、水花等自然景物作用如火、烟、雾、水花等自然景物作用在每个粒子上的作用力都是独立的为在每个粒子上的作用力都是独立的为了建立复杂的效果了建立复杂的效果, ,必须使用大量粒子必须使用大量粒子, ,让它们受到重力让它们受到重力, ,风力风力, ,各种阻力的影响各种阻力的影响根据所模拟景物的物理特性来生成和删根据所模拟景物的物理特性来生成和删除粒子。
这些系统主要是产生动态特效，除粒子这些系统主要是产生动态特效，并不考虑景物的体积和表面因素并不考虑景物的体积和表面因素 固定联结的粒子系统固定联结的粒子系统 固固定定联联结结的的粒粒子子系系统统用用于于对对物物体体物物理理变变形形特特性性的的模模拟拟在在这这些些系系统统中中，为为了了建建立立物物体体的的变变形形模模型型, ,可可以以对对物物体体进进行行体体或或面面的的离离散散化化将将体体或或面面视视为为粒粒子子，通通过过在在“粒粒子子” ” 间间产产生生弹弹性性，粘粘性性作作用用力力, ,使使离离散散化化的的表表面面和和体体发发生生变变化化, ,在在宏宏观观上上产产生生物物体体的的弯弯曲曲, ,断断裂裂, ,延延伸伸等等物物理现象动态联结的粒子系统动态联结的粒子系统 在在动动态态联联结结的的粒粒子子系系统统中中, ,粒粒子子间间的的作作用用随随时时都都在在变变化化, ,即即粒粒子子间间的的联联系系自自动动删删除除, ,随随之之动动态态创创建建用用动动态态联联结结代代替替固固定定联联结结也也能能模模拟拟与与之之相相似似的的物物理理特特性性但但由由于于粒粒子子联联结结的的动动态态变变化化, ,也也会会使使物物体体的的几几何何和和拓拓扑扑结结构构发发生生变变化化, ,这这非非常常适适合合于于模拟流体运动。
模拟流体运动粒子系统实例烟粒子系统实例烟 粒子系统实例火球 粒子系统实例火球例：星球爆炸例：星球爆炸例：滴落的水珠例：滴落的水珠例：例：PF粒子实例：蒲公英粒子实例：蒲公英例：冰雪融化例：冰雪融化6.2粒子系统的生成原理粒子系统的生成原理粒子系统是迄今为止被认为模拟不规则模粒子系统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景物糊物体最为成功的一种图形生成算法景物被定义为成千上万个不规则的，随机分布的被定义为成千上万个不规则的，随机分布的粒子所组成，而每个粒子均有一定的生命周粒子所组成，而每个粒子均有一定的生命周期，它们不断改变形状，不断运动因而，期，它们不断改变形状，不断运动因而，我们关心的只是景物的总体形状和特征的动我们关心的只是景物的总体形状和特征的动态变化，而不是各个粒子本身粒子系统的态变化，而不是各个粒子本身粒子系统的这一特性，使得它充分体现了不规则模糊物这一特性，使得它充分体现了不规则模糊物体的动态性和随机性，很好地模拟了火，云，体的动态性和随机性，很好地模拟了火，云，水，森林和原野等自然景观水，森林和原野等自然景观 6.2.1粒子系统的核心思想粒子系统的核心思想粒子系统模型的基本思想是用大量的，具粒子系统模型的基本思想是用大量的，具有一定生命力的粒子图元来描述自然界不规有一定生命力的粒子图元来描述自然界不规则模糊物体则模糊物体, ,每个粒子在任意时刻都具有随机每个粒子在任意时刻都具有随机的形状的形状, ,大小大小, ,颜色颜色, ,透明度透明度, ,速度速度, ,加速度等属加速度等属性性, ,并随时间推移发生位置并随时间推移发生位置, ,形态的变化形态的变化, ,每个每个粒子的属性和动态性质均有预先定义的一组粒子的属性和动态性质均有预先定义的一组随机过程来说明。
粒子在系统内部要经历随机过程来说明粒子在系统内部要经历“产生产生”，“活动活动”和和“死亡死亡”三个具有随机三个具有随机性的阶段，在某一时刻所有存活粒子的集合性的阶段，在某一时刻所有存活粒子的集合就构成了粒子系统的模型就构成了粒子系统的模型 6.2.1 粒子系统的核心思想粒子系统的核心思想 综上所述，粒子系统具有以下特性：综上所述，粒子系统具有以下特性：系统组成系统组成由大量的、具有一定生命力由大量的、具有一定生命力 的粒子图元所描述的自然界的粒子图元所描述的自然界 不规则模糊物体不规则模糊物体 动态性动态性每个粒子在任意时刻都具有随每个粒子在任意时刻都具有随 机的形状机的形状, ,大小大小, ,颜色颜色, ,透明度透明度, , 速度速度, ,加速度等属性加速度等属性, ,并随时间并随时间 推移发生位置推移发生位置, ,形态的变化形态的变化 生命周期性生命周期性粒子在系统内部要经历粒子在系统内部要经历 “ “产生产生”，“活动活动”和和“死死亡亡” 三个三个具有随机性的阶段具有随机性的阶段随机性随机性每个粒子的属性和动态性质均每个粒子的属性和动态性质均 有预先定义的一组随机过程来有预先定义的一组随机过程来 说明。
说明6.2.1 粒子系统的核心思想粒子系统的核心思想6.2.2 6.2.2 粒子系统的生成步骤粒子系统的生成步骤(1)(1)根根据据产产生生效效果果的的物物理理特特性性, ,建建立立数数学学 模型模型, ,即构建粒子的运动方程；即构建粒子的运动方程；(2)(2)确定粒子的个体属性确定粒子的个体属性 ；(3)(3)产生粒子系统产生粒子系统 ；(4)(4)粒子活动粒子活动; ; (5)(5)粒子的死亡粒子的死亡; ;(6)(6)其它一般过程(1)(1)构建粒子的运动方程构建粒子的运动方程 总总结结并并研研究究粒粒子子可可能能的的运运动动形形式式，研研究究其其运运动动方方程程的的求求解解方方法法, ,在在不不影影响响整整体体效效果果前前提提下下尽尽量量使使算算法法简简化化, ,计计算算量量减减少少以以满满足足实实时时性性的的要要求求在在整整个个数数学学模模型型构构建建过过程程中中, ,为为了了使使产产生生的的图图象象更更具具有有真真实实感感, ,应应该该考考虑虑加加上上风风力力，重力等因素重力等因素 (2)(2)确定粒子的个体属性确定粒子的个体属性为表达粒子系统的随机性，为表达粒子系统的随机性，ReevesReeves采用了采用了一些简化的随机过程来控制粒子在系统中的一些简化的随机过程来控制粒子在系统中的形状、特征及运动。
对每一粒子参数均确定形状、特征及运动对每一粒子参数均确定其变化范围，然后在该范围内随机地确定它其变化范围，然后在该范围内随机地确定它的值，而其变化范围则由给定的平均期望值的值，而其变化范围则由给定的平均期望值和最大方差来确定，粒子系统中的任一需随和最大方差来确定，粒子系统中的任一需随机确定的参数均可由以下参数表达式求得：机确定的参数均可由以下参数表达式求得：ParameterParameterMeanParameterMeanParameterRand( )Rand( )VarPararmeterVarPararmeter 粒子的属性主要包括：粒子的属性主要包括： 初始位置、大小初始位置、大小 初始运动速度和方向初始运动速度和方向 初始颜色初始颜色 初始透明度初始透明度 初始形状初始形状 生命周期生命周期(2)(2)确定粒子的个体属性确定粒子的个体属性不同的特效对粒子的个体属性要求不同的特效对粒子的个体属性要求的侧重点不同例如在模拟星光灿烂的侧重点不同例如在模拟星光灿烂的宇宙时，为了产生星光闪烁的效果，的宇宙时，为了产生星光闪烁的效果，就要考虑粒子的位置，大小，透明度就要考虑粒子的位置，大小，透明度属性和颜色属性，而对加速度，速度属性和颜色属性，而对加速度，速度不作为考察重点。
不作为考察重点 (2)(2)确定粒子的个体属性确定粒子的个体属性(3)(3)产生粒子系统产生粒子系统 粒粒子子的的产产生生由由随随机机函函数数控控制制，每每一一帧帧图图象象产产生生的的粒粒子子数数目目直直接接影影响响着着物物体体的的密密度度，常常使用以下方法定义：使用以下方法定义： 第第f fi i帧产生的粒子属性直接定义为帧产生的粒子属性直接定义为NP(fNP(fi i) ) NP(fi)MP(fi)+RAND()*VP(fi) 其其中中,RAND(),RAND()是是-1,1 -1,1 上上均均匀匀分分布布的的随随机机函函数数，MP(fMP(fi) )和和VP(fVP(fi) )是是第第f fi 帧新产生的粒子数目的平均值和方差帧新产生的粒子数目的平均值和方差 (3)(3)产生粒子系统产生粒子系统 上上式式中中粒粒子子数数目目的的。