[发明专利]一种基于粒子系统的喷泉模拟实现方法

说明书

技术领域

本发明属于图像处理领域中的虚拟真实感绘制技术，涉及一种基于粒子系统的喷泉模拟实现方法。

背景技术

随着计算机软件技术的高速发展，计算机功能多样化满足人们的各种需求，也开始更加注重画面美观、视觉真实感的需求，计算机图形学与虚拟现实技术研究得到发展与应用。通过计算机技术，还原生活中的各种景象或创造科幻事物和场景，比如动漫、3D游戏、模型设计展示、仿真模拟、影视广告等等。动态景物是自然场景中非常重要而又普遍存在的组成部分，如流动的水，瀑布、浮动的云、绽放的烟花等等。这些自然场景往往复杂，既有规律性又有随机性，很难用常规模型和方法实现。研究人员也开发出一套基于物理模型的模拟方法，通过建立N—S方程的方法可以较好的对一些流体特征如水流，海面波浪进行模拟。这种物理模型的优点是效果逼真，但缺点是建立模型非常复杂，计算量庞大，实时性差。不过随着GPU加速技术的发展，代替原来以CPU为主的物理建模运算，基于物理的仿真建模得到了发展。

另一种方法则是粒子系统模拟。该方法是由W.T.Reeves等在1983年首次研究提出。特别适合用于不规则模型或动态场景的模拟。以喷泉为例，无论是自然界中自然存在的喷泉还是人工建造的观赏性喷泉，喷泉景观以其独特的风格为城市、园林的美化起到了画龙点睛的作用，成为一项极具魅力的景观。虚拟喷泉可视化也是虚拟动态景物研究、构建虚拟自然场景的重要组成部分。从视觉感官上，喷泉通常可以看作由喷口喷出若干个错落有致的水柱，然后这些水柱完成上升下落的抛物线运动过程。可以看出喷泉的外在形态并不是某种固定的几何图形，同时在运动过程中很自然地会受到风力、空气阻力或其它外在条件的影响，整个运动模式也具有不确定性。因此，怎样描述喷泉这一类景象的外在形态与运动形式是虚拟场景可视化中一项复杂而又困难的工作。

人们制作喷泉模型一般用在设计现实生活的喷泉或作为研究使用，用物理模型制作，特点是效果逼真，缺乏实时性。用粒子系统制作，往往只是研究粒子的运动，缺乏真实感。因此设计一个通用性的喷泉模型是非常必要的，保证一定程度的真实感，同时具有很好的实时性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于粒子系统的喷泉模拟实现。确保真实感和实时性下，在建模的复杂程度、水波纹的计算量和实时性上做了优化改进。具体技术方案如下:

一种基于粒子系统的喷泉模拟实现方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤(1).绘制UV曲线，构建喷泉模型；

步骤(2).采用粒子系统的动态更新过程描述喷泉水流从喷口喷出直至落下产生水波纹的整个运动过程；

步骤(3).采用纹理映射的方法对水粒子进行绘制；

步骤(4).制作柔体水面；

步骤(5).制作水波纹特效，实现水滴与水面碰撞后的水波纹效果；

步骤(6).灯光设定；

步骤(7).渲染。

进一步的，步骤(2)中粒子系统的动态更新过程具体为：

第一、创建粒子发射器，选择发射器类型，设置发射速率、方向属性、粒子发射速率、随机速率；

第二、为粒子设置渲染属性，选择多条纹渲染类型，并添加动态属性，包括透明度、颜色；根据实际情况，为粒子添加重力场、风力、摩擦力；

第三、对粒子与柔体水面碰撞分析，结合粒子系统建模特性，采用旧粒子碰撞消亡生成新粒子的发生事件，并对新粒子设置合适阻尼和继承速度；当碰撞时，产生水波纹。

进一步的，步骤（4）具体为：通过曲面建模生成平面，布材质给平面，对平面的凹凸贴图进行纹理贴图。

进一步的，步骤（5）具体为：第一、根据水波纹原理和喷泉模型建模需求，优化计算方法；

第二、制作水波纹贴图和重力贴图。

进一步的，优化水波纹原理计算公式，其具体方法如下：

首先，设置振源和振源的位置，计算每个粒子下落碰撞到水面的速度、位置和波能；

计算粒子位置与速度：

（2）

（3）

式中W表示位置，表示加速度，表示速度；

计算一个粒子的动能，通过水波纹贴图，完成水波纹效果：

首先，建立两个与柔体水面一样大小的数组Wf1[Width*PoolHeight]和Wf2[Width*Height]（Width=柔体水面的象素宽度、Height=柔体水面的象素高度），用来保存柔体水面上的每一个点前一时刻和后一时刻的波幅数据；

推导计算波幅的公式：

假设一次公式为：

(4)