[发明专利]基于GS的粒子系统在风场驱动下构建流线动画的方法

摘要

一种基于GS的粒子系统在风场驱动下构建流线动画的方法，由大量的粒子带构成风场流线动画，每一个粒子带是以m个控制顶点为基础，由相应的三角面构成；一个粒子带即为风场流线动画中的一条运动的流线；先建立控制点处理模块，用于对构成每条风场流线的粒子带的控制点进行起始位置、生命周期、强度要素的控制；再建立几何着色器GS模块，用于在显卡可编程管道的几何着色器GS处理阶段，在所述控制点的基础上动态地在显卡内部生成更多的顶点，从而构成渲染每个粒子带所需的三角面。本方法摒弃了以往固定管道的渲染管线，使用了基于Direct3D 11的显卡可编程管道，绝大多数的计算都在显卡的流处理器阵列中完成，从根本上解脱了CPU的计算负担。

主权项

一种基于GS的粒子系统在风场驱动下构建流线动画的方法，其特征是由大量的粒子带构成风场流线动画，每一个粒子带是以m个控制顶点为基础，由相应的三角面构成；一个粒子带即为风场流线动画中的一条运动的流线；先建立控制点处理模块，用于对构成每条风场流线的粒子带的控制点进行起始位置、生命周期、强度要素的控制；再建立几何着色器GS模块，用于在显卡可编程管道的几何着色器GS处理阶段，在所述控制点的基础上动态地在显卡内部生成更多的顶点，从而构成渲染每个粒子带所需的三角面；具体步骤包括：1)对风速划分了n个等级，从色谱中选取了n种颜色作为风速大小的示意；创建了一个一维纹理，该纹理为1×n个像素点，这n个像素点对应所述的n种颜色；该一维纹理用于在后续步骤的几何着色器GS中用作风速的取样信息；2)控制点生成模块：将屏幕区域划分成多块相同面积的控制子区域，每个控制子区域的范围内有N个粒子带；设每个粒子带的生存时间为T秒，随后消亡，并随后在该控制子区域的其它位置随机重新生成，那么在每一秒内，控制点生成模块在每一个控制子区域内随机生成N/T个控制点；3)粒子带的构成：每个粒子带是由C个控制点对应的2×(C‑1)个三角面组成，每两个三角面组成一个四边形，四边形的四个顶点以相应的控制点为参考；在顶点进入显卡可编程流水线处理之前，先通过CPU的计算、指定控制点的经纬度坐标位置；然后在显卡的几何着色器GS处理阶段，在每个控制点的四周动态地生成4个顶点，这4个顶点构成所述两个三角面；4)控制点顶点的元素的数据结构的设计：经纬度数据，生存时间，强度，颜色和透明值，当前控制点和下一个控制点的偏角；5)控制点的位置计算：一个粒子带用到了C个控制点，用含有步骤4)列出的元素构建顶点数据数组来存储这些控制点的信息；控制点位置计算的频率是每隔一帧计算一次：虽然每条粒子带由C个控制点构成，但是每次计算的时候，只计算最新时刻的一个控制点；新控制点的位置为上个控制点的位置加上其在当前帧受到风场影响下的偏移位置；6)当前控制点与上一个控制点的偏角值计算：该偏角值的作用是在GS阶段中，根据控制点构建四边形时，确定四边形四条边的角度；偏角值的计算是每隔一帧计算一次；7)控制点强度的计算：强度值反映风速的大小，设风场最小风速为0，最大风速为Vmax，把该控制点的强度值重新映射到区间[0,1]内；8)控制点生存时间的计算：生存时间表明了一个粒子带在屏幕上可见的时间范围；粒子带新生成时，生存时间赋值为0，以后每帧渲染前，该数值加1；如果到了设定的结束时间，则重新清空该控制点数组，然后对控制点数组的第一个控制点在当前控制子区域内重新随机赋予新的初始位置；则一个粒子带在到了预定的时间消亡后又随机在当前控制子区域的另外一处位置重新开始显示了；9)顶点着色器VS阶段：用于将显卡的输入装配单元IA传过来的数据提交给随后的GS；在顶点着色器VS中，数据不做任何处理，该顶点着色器VS只起到了传递数据的作用；10)几何着色器GS阶段：先将顶点着色器VS传递过来的控制点坐标进行世界矩阵‑观察矩阵‑投影矩阵的变换，变换之后，控制点的坐标即为屏幕空间的坐标；接下来，动态生成围绕该控制点的四个顶点来构建四边形，该四边形是由2个三角形拼成：设定四边形的上下两边为垂直于该控制点的偏角方向，将控制点垂直偏角方向左移一个像素得到点PA,将控制点垂直偏角方向右移一个像素得到点控制点右移一个像素得到PB，这样粒子带的宽度变为2个像素宽；四边形的左右两边和该控制点的偏角方向平行，即由点PA沿着平行偏角方向移动当前控制点和上个控制点的位置差得到点PC；由点PB沿着平行偏角方向移动当前控制点和上个控制点的位置差得到点PD；四边形的四个顶点在屏幕上的位置计算出来之后，给这四个点的颜色赋值，在步骤7)中，控制点的强度已经归一化到[0,1]之间，把该强度值作为纹理坐标UV参数的U值，V值取0.5，在步骤1)生成的1×n纹理上取样，取样得到的颜色值赋给顶点；11)像素着色器PS阶段：几何着色器GS阶段生成的顶点数据经过显卡渲染的光栅化操作后传入像素着色器PS，像素着色器PS将接收到的像素渲染到渲染表面，最后在屏幕上显示出每帧的图像。