胡彭輝，胡愛蘭，劉吉娟，張瑞權(quán)
（中國電子信息產(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)時戰(zhàn)場環(huán)境，對不規(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。國內(nèi)外學(xué)者不斷探索，先后提出了若干種針對不規(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)時戰(zhàn)場環(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)場環(huán)境實(shí)時仿真提供了強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)。另外，對三維場景中不規(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)方法先對不規(guī)則物體表面細(xì)節(jié)建模，然后進(jìn)行場景繪制、場景渲染，最后圖形生成，這一系列的過程再加上實(shí)時渲染會產(chǎn)生巨大的計(jì)算量，對現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的硬件要求會相當(dāng)苛刻而且很難達(dá)到逼真的效果。
國內(nèi)外學(xué)者專家對不規(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數(shù)學(xué)家曼德爾勃羅特在研究英國海岸線有多長時引入的分維數(shù)的概念以及對自然界的分形現(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。基于過程紋理函數(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)了二維火焰的簡單模型，但是模擬出的火焰真實(shí)感不強(qiáng)。基于物理過程的建模方法有STAM J［2］等人建立的風(fēng)場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］等人使用紋理和動畫算法實(shí)現(xiàn)云、霧和煙等氣體現(xiàn)象的動畫效果。
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，而且它們會隨著時間的推移不斷地發(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
一個粒子系統(tǒng)由數(shù)量眾多的具有生命周期和屬性的單個粒子構(gòu)成，每個粒子都要經(jīng)歷產(chǎn)生、生長、衰老和死亡的過程，而且每個粒子均具有大小、速度、顏色、形狀、位置、生存時間、透明度等屬性。隨著時間的推移，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)是一個動態(tài)的系統(tǒng)，它能很好地體現(xiàn)不規(guī)則模糊物體的動圖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。
（1）系統(tǒng)的粒子性。粒子系統(tǒng)所模擬的任何對象不論是固態(tài)、氣態(tài)或者液態(tài)都是由很多簡單的粒子構(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。
（2）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。
（3）粒子的生命性。粒子系統(tǒng)中的每個粒子在有限的生命周期內(nèi)都要經(jīng)歷產(chǎn)生、生長、衰老和死亡4個過程。
（4）粒子的動態(tài)性。粒子系統(tǒng)中的每個粒子在有限的生命周期內(nèi)都要按照一定的運(yùn)動規(guī)律不停地運(yùn)動。正是這種動態(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)只需使用一個頂點(diǎn)去表示一個粒子，而公告板就是用一個四邊形，需要使用4個頂點(diǎn)表示一個粒子，通過其自身世界變換矩陣的控制，使其總是面對攝像機(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、動畫以及用戶定義對象的一些數(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。
3.2粒子系統(tǒng)的構(gòu)建
（1）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)都對應(yīng)一個紋理層，就是說每個頂點(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)
（2）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態(tài)調(diào)整；如果D3DRS_POINTSCALEENABLE設(shè)置為True，則粒子的大小由兩個因素共同決定，一個是粒子屬性m_size的大小，另一個是點(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PC硬件條件要求比較高且實(shí)時性也低，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)時性要求又能達(dá)到逼真的效果。
屏幕坐標(biāo)系中的一個粒子P(X,Y,Z)，若它在屏幕坐標(biāo)系中的大小是S，則它被渲染成一個四邊形，四邊形的4個點(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個點(diǎn)紋理的坐標(biāo)是由D3DRS_POINTSPRITEENABLE這個字段控制的，如果這該字段被設(shè)置為False，那么這4個點(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)場環(huán)境中導(dǎo)彈的尾焰效果，同時使用紋理映射技術(shù)降低粒子的數(shù)量達(dá)到戰(zhàn)場環(huán)境中對高實(shí)時性的要求。另外本次實(shí)驗(yàn)可以通過動態(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)場環(huán)境中不同型號的導(dǎo)彈對尾焰的要求。
參考文獻(xiàn)
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