粒子系统基本理论及其应用

第 17卷第 3期 电 脑 与 信 息 技 术 2 0 09年 6月 Comuuter and Informati0n Technolo~ VolJ17 No．3 Jun．2009 文章编号：1005—1228(2009)03-009--02 粒子系统基本理论及其应用 徐烈辉 1,2 (1．电子科技大学软件学院，成都 610054；2．湖南体育职业学院，长沙 410014) 摘 要：粒子系统是一种应用广泛而实用的物体建模方法。文章介绍了粒子系统的相关基本理论，讨论了粒子系统在非整 体物体模拟和整体物体表面建模以及可形变物体建模中的应用。 关键词：粒子系统；非整体物体；表面模型；彤变物体 中图分类号：TP391 文献标识码：A The Basic Theory of Particle System and it's Application XU Lie-hui t (1．School ofSoftware．University of"Electronic Science and Technology ofChina，Chengdu 610054，China； 2．Hunan Sports Vocatiohal College，Changsha 410014，China) Abstract：Particle system method has been used widely in object modeling．The rdated basic theory about particle system has been expounded in this paper and also its application of modeling fi~zzy objec=and SUt'face modeling about integrity object and modeling the deformable object has been discussed． Key words：particle system； zzy object；surface model；deformable object 粒子系统于 1983年由Reeves提出【l】，它并不是针 对非刚性物体的建模而提出，它是为了解决对一些自 然现象和自然景物的模拟而产生的，后来才逐渐的用 于对非刚性的物体建模之中。粒子系统方法的基本思 想是将许多简单形状的微小粒子作为基本元素聚集起 来，形成一个不规则的模糊物体，从而构成一个封闭的 系统——粒子系统。粒子系统采用了一套完全不同于 以往造型、绘制系统的方法来构造和绘制景物，景物被 定义为由成千上万个不规则的，并且是随机分布的粒 子组成，每个粒子都有一定的生命周期，且每时每刻都 在不断地运动和改变形态，这就使得粒子系统模拟诸 如人体器官等随呼吸及其它外力而导致的形变也成为 了可能。粒子系统当时只是用于模拟如爆炸、云、烟花 等非整体的物体描述，粒子间没有相互作用力。随着粒 子系统的应用增多，以及对粒子系统的一系列改进，如 引入了粒子间的相互作用力以保证描述物体的整体 性，Morade和Behzad提出用粒子系统模拟人体器官的 动态行为，粒子系统逐步应用到了三维物体建模中囝。 粒子系统的特性使它可以用来描述刚性、塑胶性、弹 性、粘弹性、非弹性等物体变形行为，它是一个既适应 全局整体表达又能满足局部细节描述的统一 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 1 粒子系统基本原理 粒子系统方法就是将大量的粒子单元集合在一 起，通过其属性的变化表现物体的物理特性的物体模 拟方法。所谓粒子是有着形状、大小、颜色、透明度、位 置及速度等属性的几何单元，一个粒子究竟有什么样 的属性主要取决于具体的应用。粒子系统并不是一个 简单的静态系统，随着时间的推移，系统中已有的粒子 不仅不断改变形状，不断运动，而且不断有新的粒子加 入，并有旧粒子的消失。为模拟粒子生长和死亡过程， 每个粒子被赋予一定的生命周期 ，它将经历生长、成 长、衰老和死亡的过程。同时，为使粒子系统所表示的 事物具有良好的随机性，与粒子有关的每一个参数均 将受到一个随机过程的控制。概括起来说，粒子系统的 基本理论主要有以下六个方面【3】： (1)物质的粒子组成 粒子系统是由具有一定属 性的流动粒子所组成的集合，把运动的模糊物体看作 由有限的这些粒子以连续或离散的方式充满它所处的 空间，并处于不断地运动变化状态，粒子在空间和时间 上具有一定的分布范围。 (2)粒子独立关系 这里包含两个意思，一是粒子 收稿日期：2009--03—23 作者简Or：徐烈辉(1963一)，男，硕士研究生，教授，主要研究方向为计算机图像图形，计算机应用技术。 · 10· 电 脑 与 信 息 技 术 2009年 6月 系统中各粒子不与场景中任何其它物体相交，二是粒 子之间不存在交互关系，并且粒子是不可穿透的。 (3)粒子的属性 系统中的每个粒子并不是抽象 的，它们都具有一定的属性，比如粒子的质量，粒子存 在的空间，外观属性，例如颜色、亮度、形状、尺寸、透明 度等，运动属性，例如速度、加速度等，还有生存属性， 其中速度、位置、颜色、亮度等属性随着时间都可以不 断地发生变化。 (4)粒子的生命机制 粒子系统中的每一粒子都 具有一定的生命周期，在一定的时间周期内，粒子经历 产生、活动和消亡三个基本生命历程。 (5)粒子的运动机制 粒子在存活期间始终是按 一 定的方式运动的。 (6)粒子的绘制算法 主要有点粒子、面粒子、线 性粒子以及随机形状粒子四种绘制算法。 粒子系统中的每一个粒子都是具有一定生命期 的，粒子经历产生、活动和消亡等过程使粒子系统可以 生成一系列运动的场景，一般来说，粒子系统生成图像 的基本步骤为：首先根据待描述的具体对象的外观特 征，分析确定出粒子的外观属性；然后研究所描述对象 的运动及变化特点，抽象出粒子的运动和变化规律；再 对所得到的属性进行定量描述，最后逐帧生成图像。也 就是说，首先在系统中产生新粒子并赋予每一个新粒 子一定的初始属性，一定时问后，删除系统中己经存在 但超过生命期的粒子，再对剩下的粒子根据运动规律 及相关算法进行更新，最后绘制由有生命的粒子组成 的图像【4】。一个粒子系统的基本模型主要由粒子系统控 制机制模块、粒子的属性集合、粒子动态行为模块、粒 子产生模块、粒子的消亡模块、粒子层次模块以及粒子 绘制模块等几部分构成，而粒子系统控制机制是粒子 系统基本模型的核心，它控制着粒子的产生、消亡以及 粒子系统的动态行为，对于不同的应用，只要相应地抽 象出粒子的属性以及粒子的动态变化行为即可。图 l 为一个通用的粒子系统模型。 外观、生命 卜_—啦 子属性l 期、位置等l[—— ．医 根据 具体 应用 抽象 运动 规律 引 ／粒子、 ＼ 竺 笙 r_．1兰竺苎三r 图 1 粒子系统模型 2 粒子系统的应用 粒子系统是一种广泛应用的模拟方法，概括起来 讲，粒子系统主要应用于以下三方面，即模拟自然景观 等非整体物体、模拟整体物体的表面形态、模拟可形变 如人体器官等的动态行为。 2．1 粒子系统对非整体的物体描述 在对非整体物体模拟时，粒子系统并不是一个简 单的静态系统。随着时间的推移，系统中已有的粒子不 断改变形状，不断运动，而且不断有新粒子加人 ，并有 旧粒子消失，用这种特性来模拟火焰、云雾等的动态行 为。为了描述粒子生长和消失过程，每个粒子被赋予一 定的生命周期 ，并经历生长、成长、衰老和消失等过程。 同时，为使粒子系统所表示的事物具有良好的随机性， 与粒子有关的每一个参数均将受到一个随机过程的控 制，粒子系统方法的这一特征充分体现了不规则模糊 物体的动态性和随机性，很好地模拟了非整体的物体。 粒子系统是不断演化的，在生命期的每一刻都要完成 以下四个方面的工作。 (1)从粒子源产生新粒子。 (2)更新粒子属性。 (3)删除“死”粒子。 (4)绘制粒子。 这样系统中不断有新粒子的加人，而已经超出生 命期的粒子也不断消亡，同时系统中粒子的属性也不 断更新，这样一个不断演化的系统很好地模拟了各种 非整体物体的形态和行为。 2．2 粒子系统对整体物体的表面建模 粒子系统还可以应用于物体的表面建模之中，用 它建立的表面模型是一种弹性的模型，与一般的表面 模型不一样，粒子系统建立的表面模型在不需要人工 干预的情况下，可以实现对表面的拆分与扩展。由于粒 子的排列十分灵活，在物理形状与拓扑结构上 ，粒子系 统能够建立出比一般的可形变表面模型更加复杂和随 意的物理形状。粒子系统表面模型中的粒子与容积模 型中的粒子之间最大的不同之处就是，除了具有容积 模型中粒子的物理属性以外，各个粒子都具有各自的 坐标系，也就是加入了三个 自由度，这种粒子也因此被 称为有向粒子。 2．3 粒子系统对形变物体容积建模 粒子系统遵守经典的物理学定律，系统中的每个 粒子间有相互作用的引力和斥力存在，粒子间在不停 地发生交互。目前，粒子系统也已经广泛地应用于不同 (下转第 39页) 第17卷第3期 段琳琳等：敏捷需求建模的研究与设计 结合需求工程方法，提出基于敏捷思想的敏捷需求建 模。较详细的介绍了敏捷需求建模的目标、价值观、原 则和实践。敏捷需求建模的价值观：沟通、简单、反馈、 勇气、尊重、谦逊；敏捷需求建模所遵循的原则：以用户 为中心，以人为本，沟通合作，主张简单、拥抱变化，以 及提出了敏捷需求建模的一系列的实践。分析了敏捷 需求建模与CMM的关系，敏捷需求建模是完全符合 CMM中定义的需求管理(REQM)关键过程域要求的 需求方法。敏捷需求建模作为现有方法的完善和补充， 可以和现有的方法和过程(例如XP和RUP等)很好 的契合，以提高软件生产效率。 (上接第 10页) 环境下的形变物体的模拟。Ricchard Szeliski和David Tonnesen提出了以运动的粒子建模方法，通过对粒子 系统加以改进，即引入了粒子间的相互作用力以保证 模拟物体的整体性。Lombardo和Puech提出对粒子系 统中的粒子进行增加和删除以用于对有形变物体的建 模 ，如用粒子系统对肌肉的建模 ；Amrani和 Behzad Shariat提出应用粒子系统模拟人体器官的动态行为， 如人体的脑部、肺部等器官；K．Shimada and D．C．Cos— sard将粒子系统应用于物体几何模型的模拟；另外，采 用多层次的粒子系统方法不仅可以建立形变物体的容 积模型，而且还能够模拟物体的动态行为，这尤其适合 模拟人体的组织器官，有利于放射性治疗以及手术规 划的实施。不仅粒子间有相互作用力存在，粒子还要受 到重力等外部力的作用，运行粒子系统动力学原理，粒 子系统还可以用来模拟物体的运动过程以及液态物体 的流动等行为。运用粒子系统方法对形变物体容积建 模时，一般用质量、半径、位置、速度及相互作用力等属 性来描述系统中的粒子。尽管粒子的描述比较简单，但 由于粒子用于模拟一些复杂的行为，尤其需要模拟一 定约束下的形变物体，因此粒子系统对形变物体的模 拟也并不是一种十分简单的方法。粒子的运动一般由 物理学中牛顿定理来定义。在模型中，主要考虑二种类 型的力 ，粒子间的内部力，包括引力和斥力，以维持粒 子间的关系，而力的大小由粒子问的距离来确定；系统 外部力，如与障碍物碰撞所产生的力或重力。为模拟粒 子间的相互作用力以及维持粒子间的关系，通常选用 经典的伦纳一琼斯势定律，从而导出力的计算公式[51 E(r)= ’_ fm(卫 )Ⅱ_n( )1 (1) m -n 。 r r 。 r)= (E( )) (2) 参考文献： 【1】 贺智华．软件工程项目的敏捷需求建模研究与应用【1)】．武汉：华中科 技大学。2004． 【2】 KishoerS，Naik R．软件需求与估算【M】姜路，丁一夫．柳剑峰译．北京： 机械工业出版社。2004． 【3】王如龙。邓子云，罗铁清．rr项目管理——从理论到实践【M】．北京：清 华大学出版社，2008． 【4】段琳琳．王如龙．极限编程在软件项目管理中的研究与应用IJ1．计算 技术与 自动化．2008，(1)：127—130．． 【5】 段琳琳，王如龙．敏捷方法在需求工程中的研究与应用【D】．应用：湖南 大学硕士毕业 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ，湖南大学。2008． [6】唐爱国，王如龙．软件项目范围变更流程与过程控制研究册．项目管 理技术,2006。4(9)：71—73． 式(1)中：ro表示系统中粒子所受引力与斥力相等 时的距离，r表示粒子的距离，8是一个控制势能范围 的可调参数，m和n的经验取值一般为H=2*m。 为了模拟粒子的运动轨迹，一般引入一阶欧拉方 程圈： ， 、 V(t+dt)=v(t)+— dt (3) m gss P(t+dt)：P(t)+V(t)宰dt (4) 式(3)中，V(t)表示粒子在时刻t的速度， t)表示 粒子所受合力，mass为粒子的质量，按公式便可求得 粒子在t+dt时刻的速度V(t+dt)；式(4)中，P(t)为粒子 在时刻t的位置，V(t)为粒子的速度，按公式便求得了 粒子在 t+dt时刻的位置。 通过引入粒子的作用力不仅可以维持粒子间的关 系，使整个系统成为一个稳定的整体模型，而且还可以 通过粒子所受力计算出粒子运动时的速度和位置，很 好地模拟出物体的运动和形变，它比许多其它三维建 模方法对于动态可形变物体建模具有更强的表达能 力。 参考文献： 【l】 W．T．Reeves．Particle Systems—AT~hmqueforM~eling aClass of Fuzzy obj~ [c]．Proceeding of SIC-GRAPH’83：359—376． 【2】 MoradeAmrani，BehzadSharia1．DeformableOrgansModelingwithMulti Layer Partide Systems．Information Visualization,2ooo[c1．Proceedings． IEEE International Conference Oil．1ondon，UK．2000：．351—356． 【3】 王静秋．基于粒子系统的动态自然景物模拟的研究：【硕士学位论 文】．南京：南京航空航天大学，1999． 【4】黄会林．飞行模拟器视景系统云层的特效模拟 【硕士学位论文】．哈 尔滨：哈尔滨工业大学，2006． [51 FJailht,B．Shari~，D．Vandorpe．Deformable Object Reconstruction with Particle SystemstJ]．Computers＆Grasphics，22(2-3)：189-194。March， 1998．