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《粒子系統(tǒng)綜述報(bào)告.doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院粒子系統(tǒng)綜述報(bào)告姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：年月日摘要如何逼真地模擬自然景物一直是圖形學(xué)中的一個(gè)熱門(mén)研究課題和難點(diǎn)問(wèn)題?；鹧?、云煙、滴、雪花等動(dòng)態(tài)自然景物的模擬，在航空航天、影視廣告、虛擬場(chǎng)景中有著廣泛的應(yīng)用。然而多數(shù)景物的外形是隨機(jī)變化的，很難用常規(guī)的建模方法及模擬技術(shù)來(lái)描述。因此自然景物的模擬一直以來(lái)都是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。隨著近年來(lái)研究的不斷深入，各種自然景物模擬算法不斷涌現(xiàn)，模擬結(jié)果也越來(lái)越具有真實(shí)感。其中，粒子系統(tǒng)方法是迄今為止被認(rèn)為模擬不規(guī)則模糊自然景物最為成功的一種生成算法。關(guān)鍵字：圖形學(xué)；粒子系統(tǒng)；虛
2、擬現(xiàn)實(shí)；真實(shí)感引言虛擬現(xiàn)實(shí)(簡(jiǎn)稱(chēng)VR),又稱(chēng)靈境技術(shù),是以沉浸感、交互性和構(gòu)想為基本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面?，F(xiàn)今,從軍用到民用,從工業(yè)到商業(yè),從自然景觀虛擬到人文景觀虛擬,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣[1]。隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)展,在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中,有一些景觀很難用簡(jiǎn)單的幾何圖元來(lái)表示,這類(lèi)景觀主要是一些離散的或者動(dòng)態(tài)的自然景觀和人文景觀,例如煙、星星、噴泉和煙花等等[2]。1983年由W.T.Reeves等首次系統(tǒng)地提出了粒子系統(tǒng)方法[3]。此方法被認(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。在計(jì)算機(jī)虛擬仿真領(lǐng)域
3、，應(yīng)用粒子系統(tǒng)模擬不規(guī)則模糊物體的方法，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)粒子系統(tǒng)的闡述、研究現(xiàn)狀、建模及仿真以及對(duì)模型的優(yōu)化，有了一個(gè)詳細(xì)地描述，從而使大家對(duì)粒子系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，有了更為直接的了解，最后通過(guò)分析現(xiàn)有粒子系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的不足，對(duì)于粒子系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，提出了自己的看法。1粒子系統(tǒng)的概念及其研究現(xiàn)狀1.1什么是粒子系統(tǒng)粒子系統(tǒng)是一種典型的物理建模系統(tǒng)，它是用簡(jiǎn)單的體素完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的建模[4]。粒子系統(tǒng)由大量稱(chēng)為粒子的簡(jiǎn)單體素構(gòu)成，每個(gè)粒子具有位置、速度、顏色和生命期等屬性，這些屬性可根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算和隨機(jī)過(guò)程得到。而一個(gè)粒子需要被賦予
4、哪些屬性，主要取決于被模擬對(duì)象[5]。1.2粒子系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀（1）隨機(jī)粒子系統(tǒng)。主要通過(guò)可控制的隨機(jī)過(guò)程，控制粒子屬性的變化。1983年Reeves首次系統(tǒng)地提出了應(yīng)用粒子系統(tǒng)，模擬虛擬場(chǎng)景中不規(guī)則物體的方法，模擬出煙花綻放的過(guò)程，并在電影StarTrek1中繪制了星系爆炸的場(chǎng)面。從那之后，人們對(duì)粒子系統(tǒng)使用范圍進(jìn)行了進(jìn)一步的拓展，使得粒子系統(tǒng)能夠擬火焰、煙花[6~7]、煙霧[8~10]、飛機(jī)飛行的特效[11]、噴泉，甚至是水中航行的船只的航行軌跡[12~13]。（2）流體粒子系統(tǒng)。粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡受流體力學(xué)的影響。比如，模擬地下煤礦礦井內(nèi)
5、氣流，可以描述礦井發(fā)生火災(zāi)時(shí)火焰的擴(kuò)散情況[14]，類(lèi)似的還有陶瓷輥道窯內(nèi)進(jìn)行陶瓷燒制時(shí)火焰軌跡的建模[15~16]。粒子系統(tǒng)也能夠?qū)σ后w進(jìn)行建模，LiuXue-mei用粒子系統(tǒng)模擬外科手術(shù)出血情況[17]。粒子系統(tǒng)甚至能夠在高密度、高粘度、高壓力、高溫度等極端的條件下，模擬出了巖漿流動(dòng)的情況[18]。（3）方向粒子系統(tǒng)?？紤]粒子間的相互影響，粒子除了具有速度和位置等動(dòng)態(tài)屬性外，還必須有方向?qū)傩?。這樣的粒子系統(tǒng)，主要模擬織物、可變形物體和剛體等。1987年，Reynolds把粒子系統(tǒng)看成是一組相互影響的粒子組成的，每一個(gè)粒子的具體位置，受與
6、其相關(guān)粒子的影響。在這個(gè)理論基礎(chǔ)上OlafEtzmuss通過(guò)對(duì)連續(xù)介質(zhì)的小改動(dòng)，得到了耦合粒子系統(tǒng)，這個(gè)粒子系統(tǒng)中的粒子是相互關(guān)聯(lián)的，并用以此來(lái)模擬變形的物體[19]。BernhardEberhardt，基于耦合粒子系統(tǒng)系統(tǒng)理論，對(duì)紡織物進(jìn)行了建模。同時(shí)，Szeliski和Richard提出基于粒子系統(tǒng)的模擬彈性表面的方法，也可以對(duì)紡織物進(jìn)行建模。（4）結(jié)構(gòu)化粒子系統(tǒng)。主要用來(lái)模擬具有一定結(jié)構(gòu)的物體或現(xiàn)象。1985年，Reeves發(fā)展了粒子系統(tǒng)，他們用“Volumefilling”基本單元，去生成隨時(shí)間改變形狀但又基本保持不變的實(shí)體，如隨風(fēng)
7、飄動(dòng)的花草樹(shù)葉[20]。袁琪在2007年利用粒子系統(tǒng)虛擬作物器官[21]。RhysGoldstein在生物學(xué)醫(yī)藥領(lǐng)域，用粒子系統(tǒng)來(lái)模擬神經(jīng)元末梢，并且取得了很好的效果[22]。法國(guó)的EricGalin用粒子系統(tǒng)模擬出吊燈、雕塑品等具有隱性曲面造型的物體。1.3小結(jié)自粒子系統(tǒng)概念提出后，該系統(tǒng)受到越來(lái)越多的重視,不少研究人員對(duì)它進(jìn)行應(yīng)用研究,具有代表性的研有：用結(jié)構(gòu)化粒子系統(tǒng)模擬樹(shù)林和樹(shù)林中草叢覆蓋的地面,用近似概率性算法來(lái)解決關(guān)于粒子系統(tǒng)渲染時(shí)的明暗和可見(jiàn)面問(wèn)題，用固定粒子數(shù)的粒子系統(tǒng)結(jié)合分布式行為模型模擬了鳥(niǎo)群的飛行。提出了一種同時(shí)適用于
8、可變形物體和固體的表面建模方法——方向粒子系統(tǒng)。并由此產(chǎn)生了許多利用粒子系統(tǒng)來(lái)模擬自然景物的方法。2粒子系統(tǒng)的建模與仿真粒子系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的模型，粒子在系統(tǒng)中要經(jīng)過(guò)“產(chǎn)生”、“運(yùn)
