粒子系统在视景仿真中的研究和应用

论文摘要

在虚拟仿真场景中,喷泉、火焰、水流、雨、雪等景物具有不规则几何状态、动态性和随机性,这些特殊景观的模型比较复杂,实时播放中的运算量较大。为了保证视景仿真的实时性,对特殊景观的建模一直是视景仿真领域和计算机图形学领域中研究的热点。粒子系统是实现动态不规则景物模糊效果的有效方法,它使用大量粒子的聚集灵活地构成特效景物,用简单的粒子图元构造出传统计算机图形学难以构造的复杂模糊物体,具有很强的真实感,能够很好地体现景物的动态性和沉浸感。粒子系统是虚拟现实技术中的主要研究内容之一。鉴于粒子系统建模的灵活性和有效性,本文研究了粒子系统的基本原理及应用,探讨了粒子系统的建模方法以及适用于自然景物动态模拟的粒子属性的通用描述公式,并选取自然景物中的特效景观作为动态模糊物体代表,以OpenGL三维图形函数库作为绘图工具,在VC++的开发环境下对不规则的、模糊的、动态的自然景观进行了模拟,最后利用Vega的回调函数及融合技术,将OpenGL编程实现的特殊景观移植到虚拟现实的Vega环境中,实现了一个基于粒子系统的虚拟自然景观实例。本文的创新点在于结合牛顿重力学的基本理论,对特效景物提出了简化的粒子系统力学模型,旨在降低粒子系统的计算量,保证特效景物在视景仿真中的实时性能。视景仿真的实验结果表明,本文建立的粒子系统算法具有较强的有效性和实时性,采用粒子系统算法对特效景观建模,具有灵活性和高效率,其自然景观的模型在虚拟仿真环境下展现了实时逼真的三维效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 视景仿真
• 1.1.1 仿真动画
• 1.1.2 视景仿真技术
• 1.2 粒子系统的发展和应用
• 1.3 论文的主要研究内容
• 1.4 论文结构
• 第2章 视景仿真系统的开发环境
• 2.1 视景仿真建模工具CREATOR
• 2.2 VEGA渲染工具软件
• 2.3 OPENGL 图形编程语言
• 2.3.1 OpenGL 简介
• 2.3.2 OpenGL 功能描述
• 2.3.3 OpenGL 的体系结构
• 第3章 粒子系统理论
• 3.1 粒子系统简介
• 3.2 粒子系统的基本原理
• 3.3 粒子系统的形成描述
• 3.4 粒子系统的基本模型
• 3.4.1 粒子的产生
• 3.4.2 粒子的属性
• 3.4.3 粒子的运动状态
• 3.4.4 粒子的消亡
• 3.4.5 粒子的渲染
• 第4章 基于粒子系统的特殊景观模拟
• 4.1 用粒子系统对喷泉进行分析
• 4.2 喷泉粒子模型
• 4.2.1 喷泉粒子的力学模型
• 4.2.2 喷泉粒子的系统模型
• 4.3 喷泉粒子的属性分析
• 4.3.1 粒子的位置属性
• 4.3.2 粒子的外观属性
• 4.3.3 粒子的运动属性
• 4.3.4 粒子的生存属性
• 4.4 喷泉粒子的产生
• 4.5 喷泉粒子的运动
• 4.6 喷泉粒子的消亡
• 4.7 喷泉粒子的渲染
• 4.7.1 纹理映射
• 4.7.2 灯光和材质
• 4.7.3 双缓存动画
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 WINDOWS 环境下OPENGL 编程步骤
• 5.1.1 OpenGL 与Windows 的绘图方式
• 5.1.2 Windows 环境下OpenGL 编程步骤
• 5.2 代码实现
• 5.2.1 粒子类
• 5.2.2 粒子系统的运动函数
• 5.2.3 特殊景观绘制
• 5.3 实验效果
• 5.4 粒子系统特效景观在视景仿真系统中的集成
• 5.4.1 Vega 中的回调函数
• 5.4.2 场景融合
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录