[发明专利]一种基于粒子系统的火焰模拟加速改进算法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于粒子系统的火焰模拟加速改进算法。

背景技术

在计算机图形学中，如何渲染模糊物体一直是一个研究的热点。所谓的模糊物体(Fuzzy Object)是指像火，云之类的没有固定边界的物体。这类物体是自然的重要组成部分，因而在游戏，电影，动画以及虚拟现实技术中都占据了重要的地位。这类物体在真实感图形的研究领域中一直是一个难题。传统的计算机模拟手段通常是通过三角曲面片来逼近自然物体的表面。然而在模拟模糊边界的物体时，这种方法就不适用了。边界的复杂性和动态性使得三角片的构造异常复杂，并且在更新时需要大量的计算，这些都不符合实时性的要求。因此人们开始寻求新的模拟模糊物体的方式。

现有的模拟方法主要有两种，一种是基于纹理模型的，比如Perlin噪声算法(Perlin Noise algorithm)，这种方式主要是通过计算对纹理映射进行扰动，以产生更加接近自然的纹理。另一种是基于物理模型的，也就是粒子系统。粒子系统是由William Reeves在1982年提出的。他详细描述了粒子系统的概念和粒子系统的构架方式。在之后的近30年间，他的粒子系统模型一直是现代粒子系统的基础。Reeves的粒子系统可以概述为以下模型：每个粒子的属性都可以表示为一个均值和一个随机值的加和。均值表现出粒子的基本形态，随机值在渲染的时候生成，以产生模糊边界的效果。粒子具有生命周期。生命周期内，每一帧可通过加速度计算粒子的速度，进而计算粒子的位移。粒子的颜色由初始颜色与末端颜色以粒子生命为参数插值得到。当粒子生命结束时，系统将重新给粒子赋予新的生命和属性。

在现代的粒子系统中，主要有以下两个新的结构：1、粒子发射器。粒子发射器主要是由于决定粒子出生时的初始速度和位移。这样使得用户或开发者对 粒子的形态有更好的控制。另外，粒子发射器可以很好的模拟燃烧物的几何形态，如圆柱，球等。这样可以处理更多不同类型的火焰。2、作用力管理器。作用力是用于决定每一帧中粒子的加速度。粒子系统中的作用力主要分为两种：常规作用力(如风场，涡旋力，拉力等)和随机作用力(如气流等)。通过常规作用力可以很好的塑造火焰的外观，随机作用力则用于增强火焰的动态和自然感。

在火焰模拟中，最影响效率的主要是两个步骤：计算和渲染。对于渲染步骤通常的做法是采用GPU(Graphic Processing Unit，图形处理器)程序设计，将需要绘制的数据直接写入显卡的缓存中。在计算上，刘宁等在第31届IEEE国际计算机软件与应用年会上提出了一种轨迹法来减少粒子系统的计算量(可参见文献Ning Liu，Rong Li，Zhenyu Yang，Hongyang Chao.An OptimizationMethod for Real-Time Natural Phenomena Simulation on WinCE Platform.31stAnnual IEEE International Computer Software and Applications Conference，2007，Vol.2，pp.57-62)。对于大规模渲染而言，假定需要渲染m个粒子，轨迹法先挑出n个粒子进行预处理，其中n＜＜m。预处理的过程就是让这n个粒子在给定的粒子系统中经历一次生命周期，并且将每一帧这些粒子的属性都记录下来。假定一个粒子总共有k帧的话，这k帧就构成了这个例子的一个轨迹。预处理结束后粒子系统就有了n条轨迹。之后再进行真正的粒子数据的计算和渲染。粒子属性计算的方式如下：对于m个粒子，每个粒子出生时选定随机一条轨迹，之后每一帧都复制选定轨迹的下一帧的属性。当粒子到达轨迹的末端时，再重新选择一条轨迹开始进行新的一轮的计算，直到系统退出。

可以看到轨迹法极大的减少了粒子系统的计算量。事实上，每一帧的计算量仅仅是复制m个粒子属性结构所花的时间。但是，相应的这个方法付出的代价是火焰的真实感大大下降。由于大量的粒子只能沿较少的轨迹运动，而且轨迹时静态的，即在预处理阶段生成后就不再更新，因此火焰的自然性得不到保证。另外，对于大规模表面燃烧而言，当n个轨迹无法覆盖整个表面时这个方法是不适用的，因为粒子仅能选取n个固定的发射点。

发明内容