胡彭輝，胡愛蘭，劉吉娟，張瑞權
（中國電子信息產業集團有限公司第六研究所，北京 100083）
摘要：為了能更加逼真地展現三維實時戰場環境，對不規則模糊物體如火焰、煙霧、雨滴、雪花、波浪等的模擬仿真則顯得尤為重要。國內外學者不斷探索，先后提出了若干種針對不規則模糊物體的建模方法。粒子系統方法是到目前為止在模擬不規則模糊物體方面最成功的一種生成算法。通過對Direct3D中點精靈和粒子系統理論的研究，采用點精靈和紋理映射技術逼真地模擬出導彈的尾焰效果，從而再現了三維實時戰場環境。
關鍵詞：粒子系統；紋理映射；點精靈；Direct3D
0引言
在現階段，虛擬現實技術和視景仿真技術的不斷發展，為三維戰場環境實時仿真提供了強大的理論基礎。另外，對三維場景中不規則物體如火焰、煙霧、雨雪等的模擬更加有助于提高三維仿真軟件的真實性。不規則物體的仿真在計算機圖形學中一直備受關注，如果采用傳統的圖形學方法先對不規則物體表面細節建模，然后進行場景繪制、場景渲染，最后圖形生成，這一系列的過程再加上實時渲染會產生巨大的計算量，對現有計算機的硬件要求會相當苛刻而且很難達到逼真的效果。
國內外學者專家對不規則物體的探索一直沒有中斷，他們先后提出了若干種不規則物體的建模方法，分別為基于分形幾何的建模方法、基于過程紋理函數的建模方法、基于物理過程的建模方法、基于粒子系統的建模方法。
基于分形幾何的建模方法起源于法國數學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的概念以及對自然界的分形現象進行了系統的研究。隨后，HOOCK D W采用基于分形的紋理技術實現煙云和塵土的模擬。基于過程紋理函數的建模方法的典型代表有INAKAGE M［1］的紋理映射的方法，它實現了二維火焰的簡單模型，但是模擬出的火焰真實感不強。基于物理過程的建模方法有STAM J［2］等人建立的風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；EBERT D S［4］等人使用紋理和動畫算法實現云、霧和煙等氣體現象的動畫效果。
目前基于粒子系統的方法在模擬不規則物體方面被公認為最成功的方法。粒子系統采用的是完全不同于以上幾種建模方法來構造不規則模糊物體。
1粒子系統理論
不規則模糊物體，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生變化，正是因為這些原因，傳統的圖形學建模方法將不再適用，在這樣的背景下，粒子系統理論于1983年由REEVES W T［5］提出。
1.1粒子系統的基本思想
一個粒子系統由數量眾多的具有生命周期和屬性的單個粒子構成，每個粒子都要經歷產生、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，粒子系統中新的粒子不斷產生，舊的粒子不斷消亡。粒子系統是一個動態的系統，它能很好地體現不規則模糊物體的動圖1粒子系統生成圖像的基本步驟態性和隨機性。粒子系統模擬不規則模糊物體的生成步驟如圖1所示。
1.2粒子系統的基本特點
從粒子系統的基本思想可以得出粒子系統理論的特點如下。
（1）系統的粒子性。粒子系統所模擬的任何對象不論是固態、氣態或者液態都是由很多簡單的粒子構成的，這些粒子不同于物理學中的原子，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系，而且粒子自身是不可穿透的。
（3）粒子的生命性。粒子系統中的每個粒子在有限的生命周期內都要經歷產生、生長、衰老和死亡4個過程。
（4）粒子的動態性。粒子系統中的每個粒子在有限的生命周期內都要按照一定的運動規律不停地運動。正是這種動態性才是模擬不規則模糊物體的關鍵所在。
2點精靈
在DirectX8之前，公告板技術（Billboard）結合紋理的Alpha混合與動畫一起使用，可以實現很多粒子系統，如煙霧、火焰、爆炸等。點精靈（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。與公告板技術不同的是，點精靈技術只需使用一個頂點去表示一個粒子，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。因此使用點精靈實現粒子系統，無論是在內存占用率還是渲染時間上都相當高效。
3三維模型和粒子系統的構建
3.1三維模型的構建
在Direct3D中，一般都采用.X文件來存儲網格數據。.X文件格式是微軟定義的3D模式文件格式，其中包括網格的紋理、動畫以及用戶定義對象的一些數據等。本次實驗構建模型采用3DS Max三維建模工具和Panda插件。首先使用3DS Max三維建模工具設計后綴名為.3ds的三維導彈模型，然后利用Panda插件讓3DS Max導出本次實驗所需后綴名為.X格式的三維導彈模型，如圖2所示。
3.2粒子系統的構建
（1）定義點精靈的靈活頂點格式（Flexible Vertex Format, FVF）。FVF用來描述頂點緩沖區中的頂點的屬性，比如頂點的位置、頂點混合權重、法向量、顏色和紋理坐標，另外FVF中允許最多定義8組紋理坐標，且每組紋理坐標都對應一個紋理層，就是說每個頂點最多可以使用8層紋理。本次實驗的FVF使用頂點的位置和紋理坐標兩個屬性，且只使用一層紋理。
struct POINTSPRITEVERTEX
{
float x, y, z; //頂點的位置
float u,v ;//頂點的紋理坐標
};
#define D3DFVF_POINTSPRITEVERTEX (D3DFVF_XYZ|D3DFVF_TEX1)
（2）設置火焰粒子的屬性。本次實驗設置的粒子屬性如表1所示。
3.3粒子大小
粒子的大小主要通過D3DRS_POINTSIZE和D3DRS_POINTSCAL EENABLE進行設置，如果D3DRS_POINTSCA LEENABLE設置為False，就使用應用程序自定義的大小，然后經過相應坐標變換作為屏幕坐標系中的最終大小，且粒子大小不可以動態調整；如果D3DRS_POINTSCALEENABLE設置為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，另一個是點到攝像機的距離。本次實驗D3DRS_POINTSCALEENABLE設置為Ture，且使用下面的公式計算：
其中Si表示點的大小，它是D3DRS_POINTSIZE指定的值，本次實驗通過粒子屬性m_size動態設置。A、B、C分別代表D3DRS_POINTSCALE_A、D3DRS_POINTSCALE_B和D3DRS_POINTSCALE_C，Vh是視點的高度，D是該點坐標（X,Y,Z）到攝像機（攝像機位于原點）的距離，D的計算方式如下：
點的最大值Pmax由D3DCAPS中的MaxPointSize和D3DRS_POINTSIZE_MAX共同決定，取二者的最小值。點的最小值Pmin則由D3DRS_POINTSIZE_MIN決定，所以點在屏幕坐標系中的最終大小S的決定規則為：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
粒子的數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時性也低，所以本次實驗采用紋理映射技術，保證在相同硬件條件下既能滿足實時性要求又能達到逼真的效果。
屏幕坐標系中的一個粒子P(X,Y,Z)，若它在屏幕坐標系中的大小是S，則它被渲染成一個四邊形，四邊形的4個點的坐標分別如下：
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個點紋理的坐標是由D3DRS_POINTSPRITEENABLE這個字段控制的，如果這該字段被設置為False，那么這4個點的紋理坐標就是相同的;如果該字段設置為True，則這4個點的紋理坐標分別為(1.0F, 0.0F), (0.0F, 0.0F), (0.0F, 1.0F), (1.0F, 1.0F)，如圖3所示。
本次實驗D3DRS_POINTSPRITEENABLE字段設置為True，采用圖3所示的紋理坐標，采用圖4所示的紋理圖片。上文中已經定義了頂點的紋理坐標格式，在接下來渲染的時候本次實驗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實驗模擬與結果
本次實驗在CPU為Intel Core i5 4590、顯卡為NVIDIA GeForce GT 630、內存為4 GB的PC上模擬導彈的尾焰效果。圖5是未綁定導彈時的尾焰效果，圖6是通過平移、旋轉、調整大小和速度后綁定導彈的尾焰效果。
4結論
本文基于Direct3D技術和粒子系統理論模擬出三維戰場環境中導彈的尾焰效果，同時使用紋理映射技術降低粒子的數量達到戰場環境中對高實時性的要求。另外本次實驗可以通過動態設置火焰粒子的參數，模擬出不同形狀的尾焰，來適應戰場環境中不同型號的導彈對尾焰的要求。
參考文獻
［1］ INAKAGE M.A simple model of flames［C］.Proceedings of the Eighth International Conference of the Computer Graphics Society.New York:SpringerVerlag,1990:7181.
［2］ STAM J, FIUME E. Depicting fire and other gaseous phenomena using diffusion processes［C］.SIGGRAPH’95, Proceedings of the 22nd Anmual Canference on Computer Graphics and Iteractive Techniques, 1995:129136.
［3］ BLINN J F. Models of light refection for computer synthesized pictures［J］.ACM Computer Graphics, 1977, 11:192198.
［4］ EBERT D S, RICHARD E P.Rendering and animation of gaseous phenomena by combining fast volume and scanline A_buffer techniques［J］.ACM Computer Graphics(SIGGRAPH'90),1990,24(4):357366.
［5］ REEVES W T, BLAU R. Approximate and probabilistic algorithms for shading and render structured particle system［J］. Computer Graphics, 1985:19(3):313322.