摘 要： 結合面向對象的分析和設計方法，提出了面向對象的、參數化的通用粒子系統(tǒng)模型和架構設計。
關鍵詞： 粒子系統(tǒng) 自然模擬 面向對象 參數化
自1983年W.T.Reeves將粒子系統(tǒng)引入到計算機圖形領域后，國內外有關粒子系統(tǒng)的研究和應用已經比較廣泛。粒子系統(tǒng)比較適合對模糊自然景物的模擬，如云、雨、雪、閃電、火焰、爆炸等。
粒子系統(tǒng)基本思想包括：自然景物可以認為由有限的、離散的空間粒子(particle)組成；粒子具有一些自然屬性（空間位置、速度、加速度、亮度、溫度等）；粒子是有一定壽命的，具有產生、變化、滅亡的過程；在不同應用中，粒子的屬性變化大多遵循一定的規(guī)律，這種規(guī)律可以采用準確或近似的數學模型來描述。
以往的研究通常是針對某種具體的模擬對象進行基于粒子系統(tǒng)方法的建模及解決計算機模擬實現中的算法或性能問題。本文通過研究粒子系統(tǒng)的原理，分析一些典型粒子系統(tǒng)應用的建模特點，提出一種通用的、參數化的粒子系統(tǒng)模型，并采用面向對象的設計方法給出了架構分析設計；并給出了用在解決真實感計算問題上的輕量級粒子的設計方法。
1 面向對象的參數化粒子系統(tǒng)建模
1.1 粒子、粒子系統(tǒng)、粒子系統(tǒng)應用
在粒子系統(tǒng)理論中，被模擬的對象由空間中離散的粒子構成。粒子可以是空間中的一個點，也可以是一個有特定形狀的圖形單元。
粒子系統(tǒng)應用(Particle System Aplication)是指采用粒子系統(tǒng)的方法，對模糊自然景物或對象進行的計算機圖形模擬應用。在一個粒子系統(tǒng)應用中往往包含了一個或多個粒子系統(tǒng)。例如瀑布模擬，整個系統(tǒng)可以分成二個粒子系統(tǒng)。其中一個模擬下瀉的瀑布(瀑布系統(tǒng))，另一個用來模擬瀑布下水花四濺、漣漪遍布的水面（水面系統(tǒng)）。這二個粒子系統(tǒng)具有獨立性，例如它們所模擬的粒子是不同的，粒子屬性的變化規(guī)律是不同的，其粒子的圖形顯示也是不同的；同時這二個粒子系統(tǒng)又存在一些關聯(lián)性，如瀑布系統(tǒng)中的粒子在到達水面后將從瀑布系統(tǒng)中消失（死亡），但同時給水面系統(tǒng)增加了一個新的粒子。
1.2 粒子的屬性
在粒子系統(tǒng)中，粒子一般具有空間位置、速度、加速度、大小尺寸、顏色、亮度、熱度、形狀、生存期等屬性。例如在采用粒子系統(tǒng)進行雪景模擬中，粒子就代表了一個實際的雪花，粒子的屬性就模擬了一個真實雪花的物理屬性，其屬性的變化模擬了真實雪花的變化。
1.3 粒子的產生
在粒子系統(tǒng)中，粒子是不斷產生、變化和滅亡的。在某個時刻(Ti)，新產生的粒子數量可以用以下公式描述：
NP(Ti)=MNP(Ti)+Rand( )*VNP(Ti)
其中：MNP(Ti)為在Ti時刻新產生粒子數目的平均值；VNP(Ti)為在Ti時刻新產生粒子數目的方差；NP(Ti)為在Ti時刻新產生的粒子數目；Rand( )為在[-1.0，1.0]上均勻分布的隨機函數。
平均值和方差可以是常量，也可以是基于Ti的變量。
在粒子系統(tǒng)中，對于新產生的粒子，其初始屬性可以根據不同的模擬對象特點進行賦值。例如可以按以下公式賦值：
Property(Ti)=MProperty(Ti)+Rand( *VProperty(Ti)
公式中：MProperty是該屬性的均值，VProperty是該屬性的方差。以雪花系統(tǒng)為例，粒子的初始位置可以將空間一個平面（或三維空間）作為基準，隨機分布。再例如煙花模擬中，煙花的各個粒子在某個時刻誕生在空間一個點（或者非常小的空間內），并且速度的絕對值和方向矢量可以用上述公式來表示。
1.4 粒子更新
在自然景物模擬中，粒子的屬性將隨時間發(fā)生變化。變化的類型大致分為以下幾種：
(1)力學作用。如重力、風力、浮力等，將對粒子的位置、速度、加速度等屬性產生影響。
(2)熱作用。如自然冷卻、化學作用、熱傳遞等，將影響溫度、亮度、透明度等屬性。
(3)形狀變化。如爆炸、分裂等，導致粒子增多或影響到粒子尺寸、形狀、質量等屬性。
對于力學作用，基本可以采用牛頓定律來描述。在具體應用中，根據實際情況還可以采用近似簡化的表示。例如在雨景、雪景的模擬中，模擬空間范圍時，可以認為粒子的下落在達到一定速度后，是按勻速運動的(VP(Ti)=VP(Ti-1))。
對于熱能相關的變化，可以認為其爆炸、獲得能量、散熱的過程按不同的速率曲線進行。例如在焰火模擬中，有些粒子可以認為是瞬間充分燃燒，能量獲得最大值，然后按線性或非線性的散熱曲線冷卻。而有些粒子先在一個相對長的時間內逐漸獲得熱能，然后再按某種下降曲線冷卻（變暗）。對于通用的參數化粒子系統(tǒng)， 就需要設計滿足不同需要的模型結構，在應用時只要通過參數選擇不同的熱能變化類型即可。
對于形狀變化，往往涉及到新粒子的產生或消亡。例如焰火的爆炸，可以理解成一個粒子在消亡的同時有一批粒子產生并同時發(fā)生能量的變化。再如大片的雪花自然分成二片，意味著一個粒子的消失，二個新粒子的產生。
1.5 粒子死亡
既然有粒子的產生和變化，必然就有粒子的消亡。
粒子的消亡有以下幾種類型：
(1)空間位置靜止。例如在雪景模擬的粒子系統(tǒng)中，當雪花降落到地面后，雪花的空間位置不再變化，此時它自身的視覺效果可以通過地面的其他方法來模擬，代表雪花的粒子就沒有存在的必要了。
(2)視覺效果消亡。例如在煙火、火焰模擬的粒子系統(tǒng)中，粒子有速度、熱能、溫度。粒子在運動的過程中，不斷地散發(fā)熱能，其亮度因此也在變化。當其亮度小于一定的閾值時，雖然粒子可能還在空間運動，但相對其背景已經影響不到視覺模擬。在這種情況下，該粒子對模擬已經沒有價值，可以消亡。
(3)生存期結束而消亡。有些粒子系統(tǒng)中，粒子有一個生存期屬性。在到達生存期后，粒子也就可以死亡。生存期條件的采用又分二種情況：一種是在物理模擬中，本身就存在比較嚴格的生存期條件，例如生物對象；另一類是在物理系統(tǒng)的建模中，抽象出一個生存期的屬性來作為一種簡化、相對準確的描述。例如在焰火模擬中，以定義生存期的方式來簡化模擬粒子的熱能變化、亮度變化、時間變化。
(4)超出視界的消亡。因為考慮到粒子系統(tǒng)的用途，在粒子超出觀察范圍后，也可以消亡。
2 面向對象的參數化粒子系統(tǒng)架構
通過對粒子系統(tǒng)的理論分析并考慮到不同粒子系統(tǒng)應用的特點，有可能建立一種比較通用的粒子系統(tǒng)模型。這個粒子系統(tǒng)模型首先要實現一個通用的架構，將粒子系統(tǒng)分割成各個獨立組件；其次要將粒子系統(tǒng)中常用到的結構、算法、組件實現參數化設計。這樣在系統(tǒng)基礎上，通過定制具體結構、算法、組件參數，滿足各類不同需求的粒子系統(tǒng)應用。
結合面向對象的分析和設計方法，本文提出了這種通用參數化粒子系統(tǒng)模型和架構設計?；诖思軜嬁蓪崿F通用參數化粒子系統(tǒng)庫。
系統(tǒng)架構如圖1所示，PartSystem表示一個完整的粒子系統(tǒng)（類）。PartSystem包含三大部分：PartManager(粒子數據管理器)、PartRender(粒子圖形渲染器)、 Container(粒子容器)。其中Container是用于存儲粒子數據，PartManager用于維護粒子的產生、變化、消亡，PartRender則根據不同粒子的屬性和類別，采用不同的圖形顯示。
PartManager對象包含了三個子對象：PartGenerator表示粒子產生器，可以模擬粒子的產生，可以定制粒子產生的平均值（可以是常數，或者是時間或其他參數的函數）、粒子產生的方差、粒子的初始位置(點、平面、空間參數)、粒子的初始速度（均值、方差、角度特點）等。對于一個PartManager(也就是一個PartSystem)，可以有多個PartGenerator以表示多個粒子源。PartUpdator表示粒子更新器，一個PartSystem對象可以有多個PartUpdator。PartCleaner表示粒子消亡器，在PartCleaner中可以定制本文1.5節(jié)中提到的各種粒子消亡條件。
一個粒子系統(tǒng)模塊可以有多個粒子發(fā)生器、粒子更新器、粒子消亡器，亦即在一個粒子系統(tǒng)中，可以有多處粒子源、多個更新變化條件、多個粒子消亡條件。同時從圖1中可以看到，粒子發(fā)生器、粒子更新器、粒子消亡器從基類中派生出很多子類，代表了已定制的不同類型的以上組件。例如，要從粒子消亡器基類中派生出基于空間位置條件的消亡器（SpaceCleaner），只要定制其條件位置參數即可；還有熱能溫度條件消亡器(HeatCleaner)，只要定制其溫度門限值即可自動將符合條件的粒子從Container中清除。
PartRender類被設計用于圖形顯示，從中可以派生出不同的Render，如基于OpenGL或其他渲染器。此處PartRender可以設計成靜態(tài)對象。針對不同的粒子(如雪花、雨滴、火花等)，常用的顯示參數、顯示特性可以定制在PartRender模塊中。
3 真實感計算和輕量級粒子
在粒子系統(tǒng)實現中，常常會遇到實時計算開銷過大的問題。產生這個問題的主要原因是：(1)粒子數量眾多；(2)為了真實模擬粒子狀態(tài)，粒子系統(tǒng)往往采用計算復雜度高的數學模型；(3)圖形顯示計算開銷。
解決以上問題的主要思路是：(1)減少粒子數量；(2)簡化系統(tǒng)模型，降低計算復雜度，或在系統(tǒng)模型不變的情況下優(yōu)化算法；(3)減少圖形顯示計算開銷。
針對第(2)種解決思路，可以采用優(yōu)化建模的方法或者采用近似算法。例如三角函數可以通過查表法獲得，從而避免進行三角運算。
針對第(1)種思路，可以采用輕量級粒子(Flyweight Particle)的設計方法。在粒子系統(tǒng)中，有少部分粒子是真實粒子(Concrete Particle)，其他粒子可以是一種輕量級粒子。每一個輕量級粒子其私有屬性的數據很少，其他大部分屬性數據可以索引到一個真實粒子上。這樣在粒子數據更新運算的時候，只需要計算這少部分真實粒子的數據；在圖形顯示的時候，可以根據輕量級粒子和其索引的真實粒子數據進行圖形顯示。因此輕量級粒子的存儲開銷和計算開銷都大大減少。這可以理解為在計算數據時只有少量的粒子，但在需要圖形顯示時仍有大量的粒子數據。
設計中，在真實粒子上標記了鏈接在其上的輕量級粒子的數量。只要這個值大于1，則這個真實粒子即使達到了消亡條件也不能被清除。
根據本文提出的面向對象的、通用的、參數化粒子系統(tǒng)架構，實現了通用粒子系統(tǒng)庫。在此基礎上，實現了幾種典型的自然景象模擬。
參考文獻
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