胡彭輝，胡愛蘭，劉吉娟，張瑞權(quán)

　?。ㄖ袊?guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京 100083）

　　摘要：為了能更加逼真地展現(xiàn)三維實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)不規(guī)則模糊物體如火焰、煙霧、雨滴、雪花、波浪等的模擬仿真則顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷探索，先后提出了若干種針對(duì)不規(guī)則模糊物體的建模方法。粒子系統(tǒng)方法是到目前為止在模擬不規(guī)則模糊物體方面最成功的一種生成算法。通過對(duì)Direct3D中點(diǎn)精靈和粒子系統(tǒng)理論的研究，采用點(diǎn)精靈和紋理映射技術(shù)逼真地模擬出導(dǎo)彈的尾焰效果，從而再現(xiàn)了三維實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

　　關(guān)鍵詞：粒子系統(tǒng)；紋理映射；點(diǎn)精靈；Direct3D

0引言

　　在現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和視景仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，為三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)仿真提供了強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)。另外，對(duì)三維場(chǎng)景中不規(guī)則物體如火焰、煙霧、雨雪等的模擬更加有助于提高三維仿真軟件的真實(shí)性。不規(guī)則物體的仿真在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中一直備受關(guān)注，如果采用傳統(tǒng)的圖形學(xué)方法先對(duì)不規(guī)則物體表面細(xì)節(jié)建模，然后進(jìn)行場(chǎng)景繪制、場(chǎng)景渲染，最后圖形生成，這一系列的過程再加上實(shí)時(shí)渲染會(huì)產(chǎn)生巨大的計(jì)算量，對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的硬件要求會(huì)相當(dāng)苛刻而且很難達(dá)到逼真的效果。

　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者專家對(duì)不規(guī)則物體的探索一直沒有中斷，他們先后提出了若干種不規(guī)則物體的建模方法，分別為基于分形幾何的建模方法、基于過程紋理函數(shù)的建模方法、基于物理過程的建模方法、基于粒子系統(tǒng)的建模方法。

　　基于分形幾何的建模方法起源于法國(guó)數(shù)學(xué)家曼德爾勃羅特在研究英國(guó)海岸線有多長(zhǎng)時(shí)引入的分維數(shù)的概念以及對(duì)自然界的分形現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。隨后，HOOCK D W采用基于分形的紋理技術(shù)實(shí)現(xiàn)煙云和塵土的模擬?；谶^程紋理函數(shù)的建模方法的典型代表有INAKAGE M［1］的紋理映射的方法，它實(shí)現(xiàn)了二維火焰的簡(jiǎn)單模型，但是模擬出的火焰真實(shí)感不強(qiáng)?；谖锢磉^程的建模方法有STAM J［2］等人建立的風(fēng)場(chǎng)中氣體的紊流模型模擬煙霧、云等模糊物體。BLINN J F［3］于1982年提出了描述云及煙塵表面的光反射函數(shù)；EBERT D S［4］等人使用紋理和動(dòng)畫算法實(shí)現(xiàn)云、霧和煙等氣體現(xiàn)象的動(dòng)畫效果。

　　目前基于粒子系統(tǒng)的方法在模擬不規(guī)則物體方面被公認(rèn)為最成功的方法。粒子系統(tǒng)采用的是完全不同于以上幾種建模方法來構(gòu)造不規(guī)則模糊物體。

1粒子系統(tǒng)理論

　　不規(guī)則模糊物體，如火焰、煙霧、雨滴、雪花、波浪等，它們不僅沒有固定的幾何外形，而且它們會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷地發(fā)生變化，正是因?yàn)檫@些原因，傳統(tǒng)的圖形學(xué)建模方法將不再適用，在這樣的背景下，粒子系統(tǒng)理論于1983年由REEVES W T［5］提出。

　　1.1粒子系統(tǒng)的基本思想

　　一個(gè)粒子系統(tǒng)由數(shù)量眾多的具有生命周期和屬性的單個(gè)粒子構(gòu)成，每個(gè)粒子都要經(jīng)歷產(chǎn)生、生長(zhǎng)、衰老和死亡的過程，而且每個(gè)粒子均具有大小、速度、顏色、形狀、位置、生存時(shí)間、透明度等屬性。隨著時(shí)間的推移，粒子系統(tǒng)中新的粒子不斷產(chǎn)生，舊的粒子不斷消亡。粒子系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，它能很好地體現(xiàn)不規(guī)則模糊物體的動(dòng)圖1粒子系統(tǒng)生成圖像的基本步驟態(tài)性和隨機(jī)性。粒子系統(tǒng)模擬不規(guī)則模糊物體的生成步驟如圖1所示。

　　1.2粒子系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

　　從粒子系統(tǒng)的基本思想可以得出粒子系統(tǒng)理論的特點(diǎn)如下。

　?。?）系統(tǒng)的粒子性。粒子系統(tǒng)所模擬的任何對(duì)象不論是固態(tài)、氣態(tài)或者液態(tài)都是由很多簡(jiǎn)單的粒子構(gòu)成的，這些粒子不同于物理學(xué)中的原子，它們具有一定的屬性，比如位置、顏色、速度等。

　?。?）粒子的獨(dú)立性。這里主要是說粒子與粒子之間以及粒子與場(chǎng)景中其他物體之間不存在相交關(guān)系，而且粒子自身是不可穿透的。

　?。?）粒子的生命性。粒子系統(tǒng)中的每個(gè)粒子在有限的生命周期內(nèi)都要經(jīng)歷產(chǎn)生、生長(zhǎng)、衰老和死亡4個(gè)過程。

　?。?）粒子的動(dòng)態(tài)性。粒子系統(tǒng)中的每個(gè)粒子在有限的生命周期內(nèi)都要按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不停地運(yùn)動(dòng)。正是這種動(dòng)態(tài)性才是模擬不規(guī)則模糊物體的關(guān)鍵所在。

2點(diǎn)精靈

　　在DirectX8之前，公告板技術(shù)（Billboard）結(jié)合紋理的Alpha混合與動(dòng)畫一起使用，可以實(shí)現(xiàn)很多粒子系統(tǒng)，如煙霧、火焰、爆炸等。點(diǎn)精靈（Point Sprite）是DirectX8中引入的一個(gè)新特性，主要是用來高效地渲染粒子系統(tǒng)。與公告板技術(shù)不同的是，點(diǎn)精靈技術(shù)只需使用一個(gè)頂點(diǎn)去表示一個(gè)粒子，而公告板就是用一個(gè)四邊形，需要使用4個(gè)頂點(diǎn)表示一個(gè)粒子，通過其自身世界變換矩陣的控制，使其總是面對(duì)攝像機(jī)。因此使用點(diǎn)精靈實(shí)現(xiàn)粒子系統(tǒng)，無論是在內(nèi)存占用率還是渲染時(shí)間上都相當(dāng)高效。

3三維模型和粒子系統(tǒng)的構(gòu)建

　　3.1三維模型的構(gòu)建

　　在Direct3D中，一般都采用.X文件來存儲(chǔ)網(wǎng)格數(shù)據(jù)。.X文件格式是微軟定義的3D模式文件格式，其中包括網(wǎng)格的紋理、動(dòng)畫以及用戶定義對(duì)象的一些數(shù)據(jù)等。本次實(shí)驗(yàn)構(gòu)建模型采用3DS Max三維建模工具和Panda插件。首先使用3DS Max三維建模工具設(shè)計(jì)后綴名為.3ds的三維導(dǎo)彈模型，然后利用Panda插件讓3DS Max導(dǎo)出本次實(shí)驗(yàn)所需后綴名為.X格式的三維導(dǎo)彈模型，如圖2所示?！?/p>

　　3.2粒子系統(tǒng)的構(gòu)建

　?。?）定義點(diǎn)精靈的靈活頂點(diǎn)格式（Flexible Vertex Format, FVF）。FVF用來描述頂點(diǎn)緩沖區(qū)中的頂點(diǎn)的屬性，比如頂點(diǎn)的位置、頂點(diǎn)混合權(quán)重、法向量、顏色和紋理坐標(biāo)，另外FVF中允許最多定義8組紋理坐標(biāo)，且每組紋理坐標(biāo)都對(duì)應(yīng)一個(gè)紋理層，就是說每個(gè)頂點(diǎn)最多可以使用8層紋理。本次實(shí)驗(yàn)的FVF使用頂點(diǎn)的位置和紋理坐標(biāo)兩個(gè)屬性，且只使用一層紋理。

　　struct POINTSPRITEVERTEX

　　{

　　float x, y, z; //頂點(diǎn)的位置

　　float u,v ;//頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)

　　};

　　#define D3DFVF_POINTSPRITEVERTEX (D3DFVF_XYZ|D3DFVF_TEX1)

　?。?）設(shè)置火焰粒子的屬性。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置的粒子屬性如表1所示。

　　3.3粒子大小

　　粒子的大小主要通過D3DRS_POINTSIZE和D3DRS_POINTSCAL EENABLE進(jìn)行設(shè)置，如果D3DRS_POINTSCA LEENABLE設(shè)置為False，就使用應(yīng)用程序自定義的大小，然后經(jīng)過相應(yīng)坐標(biāo)變換作為屏幕坐標(biāo)系中的最終大小，且粒子大小不可以動(dòng)態(tài)調(diào)整；如果D3DRS_POINTSCALEENABLE設(shè)置為True，則粒子的大小由兩個(gè)因素共同決定，一個(gè)是粒子屬性m_size的大小，另一個(gè)是點(diǎn)到攝像機(jī)的距離。本次實(shí)驗(yàn)D3DRS_POINTSCALEENABLE設(shè)置為Ture，且使用下面的公式計(jì)算：

　　其中Si表示點(diǎn)的大小，它是D3DRS_POINTSIZE指定的值，本次實(shí)驗(yàn)通過粒子屬性m_size動(dòng)態(tài)設(shè)置。A、B、C分別代表D3DRS_POINTSCALE_A、D3DRS_POINTSCALE_B和D3DRS_POINTSCALE_C，Vh是視點(diǎn)的高度，D是該點(diǎn)坐標(biāo)（X,Y,Z）到攝像機(jī)（攝像機(jī)位于原點(diǎn)）的距離，D的計(jì)算方式如下：

　　點(diǎn)的最大值Pmax由D3DCAPS中的MaxPointSize和D3DRS_POINTSIZE_MAX共同決定，取二者的最小值。點(diǎn)的最小值Pmin則由D3DRS_POINTSIZE_MIN決定，所以點(diǎn)在屏幕坐標(biāo)系中的最終大小S的決定規(guī)則為：如果Ss>Pmax，則S=Pmax；如果Ss<Pmin，則S=Pmin；否則S=Ss。

　　3.4紋理映射［6］技術(shù)

　　粒子的數(shù)量越多模擬出來的火焰效果越逼真，但是這對(duì)PC硬件條件要求比較高且實(shí)時(shí)性也低，所以本次實(shí)驗(yàn)采用紋理映射技術(shù)，保證在相同硬件條件下既能滿足實(shí)時(shí)性要求又能達(dá)到逼真的效果。

　　屏幕坐標(biāo)系中的一個(gè)粒子P(X,Y,Z)，若它在屏幕坐標(biāo)系中的大小是S，則它被渲染成一個(gè)四邊形，四邊形的4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別如下：

　　P0=X+S2,Y－S2,Z

　　P1=X－S2,Y－S2,Z

　　P2=X－S2,Y+S2,Z

　　P3=X+S2,Y+S2,Z

　　這4個(gè)點(diǎn)紋理的坐標(biāo)是由D3DRS_POINTSPRITEENABLE這個(gè)字段控制的，如果這該字段被設(shè)置為False，那么這4個(gè)點(diǎn)的紋理坐標(biāo)就是相同的;如果該字段設(shè)置為True，則這4個(gè)點(diǎn)的紋理坐標(biāo)分別為(1.0F, 0.0F), (0.0F, 0.0F), (0.0F, 1.0F), (1.0F, 1.0F)，如圖3所示。

　　本次實(shí)驗(yàn)D3DRS_POINTSPRITEENABLE字段設(shè)置為True，采用圖3所示的紋理坐標(biāo)，采用圖4所示的紋理圖片。上文中已經(jīng)定義了頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)格式，在接下來渲染的時(shí)候本次實(shí)驗(yàn)采用了線性紋理過濾方式來提高紋理的顯示效果。

　　//線性紋理過濾

　　SetSamplerState(0, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_LINEAR );

　　SetSamplerState(0, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_LINEAR );

　　3.5實(shí)驗(yàn)?zāi)M與結(jié)果

　　本次實(shí)驗(yàn)在CPU為Intel Core i5 4590、顯卡為NVIDIA GeForce GT 630、內(nèi)存為4 GB的PC上模擬導(dǎo)彈的尾焰效果。圖5是未綁定導(dǎo)彈時(shí)的尾焰效果，圖6是通過平移、旋轉(zhuǎn)、調(diào)整大小和速度后綁定導(dǎo)彈的尾焰效果。

4結(jié)論

　　本文基于Direct3D技術(shù)和粒子系統(tǒng)理論模擬出三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中導(dǎo)彈的尾焰效果，同時(shí)使用紋理映射技術(shù)降低粒子的數(shù)量達(dá)到戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中對(duì)高實(shí)時(shí)性的要求。另外本次實(shí)驗(yàn)可以通過動(dòng)態(tài)設(shè)置火焰粒子的參數(shù)，模擬出不同形狀的尾焰，來適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中不同型號(hào)的導(dǎo)彈對(duì)尾焰的要求。

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