第6章(粒子系統(tǒng))課件

1、第6章 粒子系統(tǒng)6.1 粒子系統(tǒng)概述6.2 粒子系統(tǒng)的生成原理6.3 粒子系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)實(shí)例附錄：3ds max的粒子系統(tǒng)6.1 粒子系統(tǒng)概述 粒子系統(tǒng)是最實(shí)用的過程動畫技術(shù)之一。所謂過程動畫是指物體的運(yùn)動或變形可由一個(gè)過程來描述。最簡單的過程動畫是用一個(gè)數(shù)學(xué)模型去控制物體的幾何形狀和運(yùn)動，如旗幟、水波隨風(fēng)的運(yùn)動。較復(fù)雜的過程動畫則是包括物體的變形、彈性理論、動力學(xué)、碰撞檢測在內(nèi)的物體的復(fù)雜運(yùn)動。 粒子系統(tǒng)被認(rèn)為是迄今為止模擬不規(guī)則模糊物體最為成功的一種圖形生成算法。這一方面的先驅(qū)是W.T.Reeves,他在1985年發(fā)表的論文中成功地提出了一種模擬不規(guī)則自然景物生成和動畫的系統(tǒng)，也就是所謂的粒

2、子系統(tǒng)。 文獻(xiàn)：Approximate and probabilistic algorithms for shading and rendering structured Particle System. Computer graphics,1985 粒子系統(tǒng)的發(fā)展 為了實(shí)現(xiàn)對這類不規(guī)則物體的真實(shí)感顯示,國內(nèi)外學(xué)者一直在努力探索,先后提出了多種方法。例如，L系統(tǒng)、分形法構(gòu)圖等。各種方法相比而言,粒子系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像質(zhì)量高,運(yùn)算代價(jià)不高,且適合于中低檔的硬件平臺,所以，已被大量運(yùn)用在大量3D軟件中（見附錄）。 粒子系統(tǒng)的發(fā)展 粒子系統(tǒng)在電影“星球大戰(zhàn)”中的出色表現(xiàn)，使得人們對這一技術(shù)刮目相看，目前

3、，粒子系統(tǒng)巳被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。尤其在視頻特技制作中，人們常希望產(chǎn)生用常規(guī)拍攝方式難以產(chǎn)生的自然特效和模擬群體行為。 粒子系統(tǒng)的應(yīng)用 影視作品星球大戰(zhàn)剪輯影視作品星球大戰(zhàn)剪輯水墨畫仿真粒子系統(tǒng)作品粒子星云 為了能更清晰的理解現(xiàn)有的各種粒子系統(tǒng)，可以根據(jù)粒子間的作用關(guān)系將粒子系統(tǒng)分為三類： 粒子分類 獨(dú)立粒子系統(tǒng);固定聯(lián)結(jié)的粒子系統(tǒng); 動態(tài)聯(lián)結(jié)的粒子系統(tǒng). 獨(dú)立粒子系統(tǒng) 獨(dú)立粒子系統(tǒng),即粒子間是獨(dú)立的,無相互作用。獨(dú)立系統(tǒng)用來模擬生成例如火、煙、霧、水花等自然景物。作用在每個(gè)粒子上的作用力都是獨(dú)立的。為了建立復(fù)雜的效果,必須使用大量粒子,讓它們受到重力,風(fēng)力,各種阻力的影響。根據(jù)所模擬景物的物

4、理特性來生成和刪除粒子。這些系統(tǒng)主要是產(chǎn)生動態(tài)特效，并不考慮景物的體積和表面因素。 固定聯(lián)結(jié)的粒子系統(tǒng) 固定聯(lián)結(jié)的粒子系統(tǒng)用于對物體物理變形特性的模擬。在這些系統(tǒng)中，為了建立物體的變形模型,可以對物體進(jìn)行體或面的離散化。將體或面視為粒子，通過在“粒子” 間產(chǎn)生彈性，粘性作用力,使離散化的表面和體發(fā)生變化,在宏觀上產(chǎn)生物體的彎曲,斷裂,延伸等物理現(xiàn)象。動態(tài)聯(lián)結(jié)的粒子系統(tǒng) 在動態(tài)聯(lián)結(jié)的粒子系統(tǒng)中,粒子間的作用隨時(shí)都在變化,即粒子間的聯(lián)系自動刪除,隨之動態(tài)創(chuàng)建。用動態(tài)聯(lián)結(jié)代替固定聯(lián)結(jié)也能模擬與之相似的物理特性。但由于粒子聯(lián)結(jié)的動態(tài)變化,也會使物體的幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化,這非常適合于模擬流體運(yùn)動。粒

5、子系統(tǒng)實(shí)例煙 粒子系統(tǒng)實(shí)例火球 粒子系統(tǒng)實(shí)例火球例：星球爆炸例：滴落的水珠例：PF粒子實(shí)例：蒲公英例：冰雪融化6.2 粒子系統(tǒng)的生成原理粒子系統(tǒng)是迄今為止被認(rèn)為模擬不規(guī)則模糊物體最為成功的一種圖形生成算法。景物被定義為成千上萬個(gè)不規(guī)則的，隨機(jī)分布的粒子所組成，而每個(gè)粒子均有一定的生命周期，它們不斷改變形狀，不斷運(yùn)動。因而，我們關(guān)心的只是景物的總體形狀和特征的動態(tài)變化，而不是各個(gè)粒子本身。粒子系統(tǒng)的這一特性，使得它充分體現(xiàn)了不規(guī)則模糊物體的動態(tài)性和隨機(jī)性，很好地模擬了火，云，水，森林和原野等自然景觀。 6.2.1 粒子系統(tǒng)的核心思想粒子系統(tǒng)模型的基本思想是用大量的，具有一定生命力的粒子圖元來描述

6、自然界不規(guī)則模糊物體,每個(gè)粒子在任意時(shí)刻都具有隨機(jī)的形狀,大小,顏色,透明度,速度,加速度等屬性,并隨時(shí)間推移發(fā)生位置,形態(tài)的變化,每個(gè)粒子的屬性和動態(tài)性質(zhì)均有預(yù)先定義的一組隨機(jī)過程來說明。粒子在系統(tǒng)內(nèi)部要經(jīng)歷“產(chǎn)生”，“活動”和“死亡”三個(gè)具有隨機(jī)性的階段，在某一時(shí)刻所有存活粒子的集合就構(gòu)成了粒子系統(tǒng)的模型。 6.2.1 粒子系統(tǒng)的核心思想 綜上所述，粒子系統(tǒng)具有以下特性：系統(tǒng)組成由大量的、具有一定生命力 的粒子圖元所描述的自然界 不規(guī)則模糊物體。 動態(tài)性每個(gè)粒子在任意時(shí)刻都具有隨 機(jī)的形狀,大小,顏色,透明度, 速度,加速度等屬性,并隨時(shí)間 推移發(fā)生位置,形態(tài)的變化。 生命周期性粒子在系統(tǒng)

7、內(nèi)部要經(jīng)歷 “產(chǎn)生”，“活動”和“死亡” 三個(gè)具有隨機(jī)性的階段。隨機(jī)性每個(gè)粒子的屬性和動態(tài)性質(zhì)均 有預(yù)先定義的一組隨機(jī)過程來 說明。6.2.1 粒子系統(tǒng)的核心思想6.2.2 粒子系統(tǒng)的生成步驟(1)根據(jù)產(chǎn)生效果的物理特性,建立數(shù)學(xué) 模型,即構(gòu)建粒子的運(yùn)動方程；(2)確定粒子的個(gè)體屬性 ；(3)產(chǎn)生粒子系統(tǒng) ；(4)粒子活動; (5)粒子的死亡;(6)其它。一般過程(1)構(gòu)建粒子的運(yùn)動方程 總結(jié)并研究粒子可能的運(yùn)動形式，研究其運(yùn)動方程的求解方法,在不影響整體效果前提下盡量使算法簡化,計(jì)算量減少以滿足實(shí)時(shí)性的要求。在整個(gè)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建過程中,為了使產(chǎn)生的圖象更具有真實(shí)感,應(yīng)該考慮加上風(fēng)力，重力等因素

8、。 (2)確定粒子的個(gè)體屬性為表達(dá)粒子系統(tǒng)的隨機(jī)性，Reeves采用了一些簡化的隨機(jī)過程來控制粒子在系統(tǒng)中的形狀、特征及運(yùn)動。對每一粒子參數(shù)均確定其變化范圍，然后在該范圍內(nèi)隨機(jī)地確定它的值，而其變化范圍則由給定的平均期望值和最大方差來確定，粒子系統(tǒng)中的任一需隨機(jī)確定的參數(shù)均可由以下參數(shù)表達(dá)式求得：ParameterMeanParameterRand( )VarPararmeter 粒子的屬性主要包括： 初始位置、大小 初始運(yùn)動速度和方向 初始顏色 初始透明度 初始形狀 生命周期(2)確定粒子的個(gè)體屬性不同的特效對粒子的個(gè)體屬性要求的側(cè)重點(diǎn)不同。例如在模擬星光燦爛的宇宙時(shí)，為了產(chǎn)生星光閃爍的效果

9、，就要考慮粒子的位置，大小，透明度屬性和顏色屬性，而對加速度，速度不作為考察重點(diǎn)。 (2)確定粒子的個(gè)體屬性(3)產(chǎn)生粒子系統(tǒng) 粒子的產(chǎn)生由隨機(jī)函數(shù)控制，每一幀圖象產(chǎn)生的粒子數(shù)目直接影響著物體的密度，常使用以下方法定義： 第fi幀產(chǎn)生的粒子屬性直接定義為NP(fi) NP(fi)MP(fi) + RAND( ) * VP(fi) 其中,RAND()是-1,1 上均勻分布的隨機(jī)函數(shù)，MP(fi)和VP(fi)是第fi 幀新產(chǎn)生的粒子數(shù)目的平均值和方差。 (3)產(chǎn)生粒子系統(tǒng) 上式中粒子數(shù)目的平均值和方差可定義為常數(shù)或變量。如： MP(fi)=MP(f0) +MP*(fif0) 對每一新產(chǎn)生粒子都必

10、須賦以初始屬性,如初始位置,方向,顏色,生存期等。 其他屬性用下式計(jì)算： Property(f0)=屬性均值+RAND()*屬性方差(3)產(chǎn)生粒子系統(tǒng) 粒子的這些屬性值可作如下定義： 粒子的初始位置P(f0)由粒子的產(chǎn)生區(qū)域決定,同時(shí)產(chǎn)生區(qū)域也可決定粒子的初始運(yùn)動方向。對于球形區(qū)域,粒子從粒子系統(tǒng)原點(diǎn)沿球半徑向外運(yùn)動,對于圓形區(qū)域,粒子以一定的噴射角離開所在平面向外運(yùn)動。 (4)粒子活動 粒子產(chǎn)生后，就要根據(jù)所確定的運(yùn)動模型進(jìn)行運(yùn)動。一幀接一幀，直至死亡。這種運(yùn)動有自己的規(guī)律，也就是說所有粒子的屬性有共同的地方，這是產(chǎn)生整個(gè)現(xiàn)象的基礎(chǔ)，但每個(gè)粒子又有自己的不同，這種不同就要有隨機(jī)函數(shù)來體現(xiàn)。

11、(4)粒子活動粒子運(yùn)動軌跡為：位置: P(fi) = P(fi-1) + V (f i-1) * (fif i-1)速度: V(fi) = MV+RAND( )*VV+A*(fi fi-1)顏色: C(fi)=MC+RAND( ) *VC+C * (fi- fi-1)(4)粒子活動粒子運(yùn)動軌跡為：透明度: T(fi)=MT+RAND( )*VT+T*(fifi-1)生存期: L(fi ) = L(fi-1) L 式中fi為幀號(i= 0,1,2,3,n), i=0時(shí)為初始幀，A,C,T,L分別為粒子的加速度,顏色變化率,透明度變化率,生命遞減值均可定義為常數(shù)。(5)粒子的死亡 粒子一產(chǎn)生就賦予

12、了生存期L(f0)，用幀數(shù)來度量，隨著粒子一幀一幀的運(yùn)動而遞減，即: L(fi) = L(fi-1 ) L 遞減到0時(shí)，粒子死亡。將其從系統(tǒng)中刪除。 (5)粒子的死亡 還可采用其他方法來衡量粒子的存亡，如當(dāng)粒子的顏色和透明度低于限定值，或粒子的運(yùn)動超出給定的距離，則可認(rèn)為粒子死亡，將其從系統(tǒng)中刪除。 粒子的產(chǎn)生，活動，死亡這三個(gè)階段構(gòu)成了一幅動態(tài)進(jìn)化的畫面。(6)其它因素（1）考慮到許多自然景物的形態(tài)變化，需要由多個(gè)粒子系統(tǒng)來描述,而每個(gè)粒子系統(tǒng)又由大量粒子組成,可以通過建立粒子系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)對這些復(fù)雜物體的整體控制。層次結(jié)構(gòu)的建立方法與傳統(tǒng)的方法完全一樣。算法在每一時(shí)刻首先確定新生成的

13、子粒子系統(tǒng)的數(shù)量,父粒子系統(tǒng)的所有屬性均可以傳遞給其子粒子系統(tǒng)。例如,當(dāng)父粒子系統(tǒng)運(yùn)動時(shí),其所有子粒子系統(tǒng)將跟隨一起運(yùn)動。這非常適合與模擬飛機(jī)尾焰等效果。(6)其它因素（2）為了使產(chǎn)生的特效更具有真實(shí)感，我們的粒子運(yùn)動一般都建立在三維空間中。這就考慮使用何種三維加速引擎。常用就是OpenGL和DirectorX。另外還要考慮視點(diǎn)和粒子系統(tǒng)的位置關(guān)系，即要使用LOD（level of detail）技術(shù)解決遠(yuǎn)近不同的景象，既能縮短時(shí)間，又不降低對圖象質(zhì)量的要求。(6)其它因素(3)產(chǎn)生的粒子系統(tǒng)圖象與其他圖象的融合。在視頻技術(shù)中，將不同的圖象疊加在一塊，從視覺上感覺不出他們來源于不同的畫面。由粒

14、子系統(tǒng)產(chǎn)生的景物怎么和已有畫面的融合，這雖是影視制作人員的任務(wù)，但我們產(chǎn)生的粒子系統(tǒng)要具有這種特性，才能夠被使用。所以，在產(chǎn)生粒子系統(tǒng)圖象時(shí)候，一定要考慮圖象的格式，一般講應(yīng)該要考慮到圖象的透明度。這與單個(gè)粒子的透明度是不同的。 例1.粒子火焰 程序運(yùn)行后,大量發(fā)光的粒子在屏幕上運(yùn)動,每一個(gè)粒子都有一定的生命周期,在這個(gè)周期內(nèi)以一定的角加速度運(yùn)動,同時(shí),速度逐漸變慢。6.3 粒子系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)實(shí)例 程序的基本步驟：（1）定義一個(gè)粒子結(jié)構(gòu)。（2）粒子初始化。（3）計(jì)算出粒子的運(yùn)動軌跡。（4）模糊效果生成。 （1）定義一個(gè)粒子結(jié)構(gòu)struct CParticle float m_x; /當(dāng)前x坐標(biāo)

15、float m_y; /當(dāng)前y坐標(biāo) float m_Angle; /方向 float m_Speed; /速度 float m_AngleAdjustment; /角加速度 float m_Life; /生命值 float m_Decay; /衰減速度;（2）粒子的初始化 當(dāng)一個(gè)粒子誕生時(shí)，我們需要對它進(jìn)行一些必要的初始化，對于不同的效果，初始化的內(nèi)容也是不一樣的，下面是一種最簡單的運(yùn)動粒子的初始化：（2）粒子的初始化最簡單的運(yùn)動粒子的初始化：void InitParticle(CParticle& particle, float x, float y) particle.m_x = x; p

16、article.m_y = y; particle.m_Speed = 1 + (Rnd( ) * 3); particle.m_Angle = Rnd( )* 2*pi; particle.m_AngleAdjustment = -1/40.0f+Rnd( ) / 20; particle.m_Life = 1.0f; particle.m_Decay = 0.01f+Rnd( ) / 20;注釋1：由第二步可以看出，其中有許多參數(shù)帶有一定的隨機(jī)性，這樣即可以保證每個(gè)粒子的坐標(biāo)、速度或角加速度在一定范圍內(nèi)分布，也可以保證整體效果永遠(yuǎn)不會以相同的面貌出現(xiàn)。有了這些初始數(shù)據(jù)，我們就可以計(jì)算出粒子

17、的運(yùn)動軌跡。 （3）計(jì)算粒子運(yùn)動軌跡void MoveParticle(CParticle& particle) if (particle.m_Life = 0)return; particle.m_x += (float)cos(particle.m_Angle) * particle.m_Speed; particle.m_y += (float)sin(particle.m_Angle) * particle.m_Speed; particle.m_Angle += particle.m_AngleAdjustment; particle.m_Life -= particle.m_Dec

18、ay; 每一次調(diào)用MoveParticle函數(shù)，即可獲得該粒子的新坐標(biāo)，同時(shí)粒子的生命值降低。如果粒子生命值大于0，設(shè)置粒子在新坐標(biāo)象素的顏色為255（調(diào)色板最大值),如果粒子生命值小于0，表明粒子已經(jīng)死亡，不予顯示，這樣，就能夠模擬出大量粒子的運(yùn)動軌跡了。注釋2：（4）產(chǎn)生模糊效果 為了顯示出發(fā)光粒子拖著一條長尾巴的效果，還需要對圖象進(jìn)行一些特殊的處理才行。Blur算法即是完成這個(gè)目的。Blur即模糊的意思，最簡單的Blur算法是取該象素前后左右四個(gè)象素的平均值。（4）產(chǎn)生模糊效果 Blur算法的代碼如下： for (y=1; y height-1; y+) for (x=1; x widt

19、h-1; x+) pixel(x,y) = ( (pixel(x,y-1) + pixel(x-1, y) +pixel(x+1,y)+ pixel (x,y+1) ) 2;上面只是程序中的一些原理性的描述和未經(jīng)優(yōu)化的代碼，在具體編程中，還會有以下一些需要考慮和注意的問題：對粒子的初始狀態(tài)和運(yùn)動施以不同的規(guī)則,可以構(gòu)造出不同的粒子火焰效果,煙火即可用這種方法實(shí)現(xiàn)。對于調(diào)色板的靈活運(yùn)用可使程序更加富予色彩。如對調(diào)色板進(jìn)行分段,可同時(shí)顯示出不同顏色的粒子火焰；對調(diào)色板進(jìn)行循環(huán),顯示出火焰整體色彩的變換。Blur的算法有很多種，還可以實(shí)現(xiàn)Blur的同時(shí)向某個(gè)方向移動的效果，或是實(shí)現(xiàn)如火焰般的效果。注

20、釋3：例2 粒子禮花 程序運(yùn)行后，在不同幀產(chǎn)生下列效果粒子屬性結(jié)構(gòu)public: int m_flag; / 從低位開始，頭2位表示階段，第3位表示主(1)或從(0)粒子 int m_blinkNumber; / 閃爍計(jì)數(shù)器 double m_radius; / 粒子大小半徑 double m_x, m_y, m_z; / 粒子的位置坐標(biāo) double m_vx, m_vy, m_vz; / 粒子的運(yùn)動速度 double m_life, m_lifeIncrement; / 粒子的生命值及其增長量 GLfloat m_red, m_green, m_blue; / 粒子的顏色值 CPartic

21、le* m_next, *m_previous; / 相鄰的兩個(gè)粒子主要函數(shù)void mb_addParticle(CParticle* p); / 在當(dāng)前粒子后插入指定的粒子 void mb_removeParticle( ); / 從鏈表中去除位于當(dāng)前粒子后的粒子void mb_draw( ); / 繪制單個(gè)粒子void mb_makeSelfLoop( ); / 形成單粒子的雙向鏈表void mb_setBlinkRand( ); / 設(shè)置隨機(jī)閃爍計(jì)數(shù)值void mb_setColor(GLfloat r, GLfloat g, GLfloat b); / 設(shè)顏色值void mb_set

22、Life(double life, double increment); / 設(shè)置生命值void mb_setPosition(double x, double y, double z); /設(shè)位置坐標(biāo)void mb_setVelocity(double x, double y, double z); / 設(shè)置速度void mb_updatePosition( ); / 更新位置坐標(biāo)禮花粒子系統(tǒng)中的粒子單個(gè)的主粒子第一階段的主粒子死亡所有粒子死亡創(chuàng)建第三階段的粒子創(chuàng)建第二階段的粒子第二階段的粒子死亡不斷創(chuàng)建尾粒子尾粒子不斷死亡不斷創(chuàng)建尾粒子粒子運(yùn)動粒子不斷死亡 3ds max擁有強(qiáng)大的粒子系統(tǒng)，功能眾多，可以制作出數(shù)不勝數(shù)的粒子特效，是特技制作必不可少的工具。另外，3ds max中的paticle Flow也是一個(gè)非常強(qiáng)大的粒子系統(tǒng)，它是一種事件驅(qū)動型的粒子系統(tǒng)。附錄 3ds max 的粒子系統(tǒng)3ds max的7類粒子系統(tǒng)噴射（Spray） 噴射粒子系統(tǒng)，可發(fā)射水滴、直線狀和十字交叉型粒子常用于建立雨景、水流、噴泉和煙花爆竹等模型。雪花（Snow） 雪花粒子系統(tǒng)，可發(fā)射六角、點(diǎn)狀和十字交叉型粒子常用于建立飄雪、拋落的紙削和糖果等模型。超級噴射(