基于粒子系统的大规模漫游环境实时降雨模拟

基于粒子系统的大规模漫游环境实时降雨模拟李占利;吕淑丽【摘要】降雨是一种重要的自然现象，对降雨的模拟可以大大提高虚拟场景的真实感，粒子系统是模拟降雨的一种有效方法。

针对已有降雨模拟方法的不足，提出一种应用于大规模漫游环境下实时降雨的新方法。

首先通过分析雨的行为，建立恰当的雨滴粒子模型；其次通过在极坐标内生成雨滴粒子，提高粒子的利用率；最后就风对于雨滴的干扰作用进行计算，模拟出了逼真的雨滴运动过程。

实验表明，该方法生成的大规模漫游环境下的雨景真实自然，实时性高，具有一定的实用价值。

%Raining is an important natural phenomenon.Simulation of raining will greatly improve the reality of virtual scene,and the particle system is an effective way to simulate raining.To solve the shortage of previous simulation method,we put forward a new approach for the simulation of raining in large-scale roaming terrain.First,a proper raindrop particle model is built by analysing the actions of the rain;then,the utilisation rate of particles is improved by generating the raindrop particles in polar coordinates.Finally,the interference of the wind on raindrops is calculated so that the verisimilar movement process of raindrops issimulated.Experimental results show that the raining scene in large-scale roaming terrain generated with this method is real,natural and with high real-time performance,it has certain applied value.【期刊名称】《计算机应用与软件》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】5页(P214-217,228)【关键词】粒子系统;雨滴粒子;模拟;大规模环境【作者】李占利;吕淑丽【作者单位】西安科技大学计算机科学与技术学院陕西西安710054;西安科技大学计算机科学与技术学院陕西西安710054【正文语种】中文【中图分类】TP391自然景物的模拟一直是计算机仿真领域中既热门又具有挑战性的一个内容。

降雨是一种非常普遍的自然现象，对于降雨的模拟广泛应用于虚拟现实，计算机动画、广告设计，影视制作等方面。

所以对于降雨的模拟有着非常重要的实际意义。

Reeves在1983年提出了使用粒子系统［1］来模拟雨、雪、烟、火焰、爆炸等由不规则对象构成的实时系统。

该方法为不规则物体的模拟提供了一种强有力的方法，也是目前模拟雨的一种普遍且有效的方法。

粒子系统能较真实地模拟雨的效果，但是在大规模场景中由于场景的增大，构建雨景的粒子数量也会随之增加。

数量众多的粒子使得绘制的速率降低，最终将影响整个三维场景的漫游速度。

因此，如何解决大规模场景中粒子的数量与系统实时性之间的矛盾是研究大规模环境下降雨的一个关键所在。

目前对于降雨的模拟方法主要有基于传统的CPU方法和基于GPU的方法。

从生成的逼真度来看两者的效果相差不大，但就渲染速率来说基于GPU方法的渲染速率明显优于基于CPU的方法。

国外学者对降雨的模拟进行了不同程度的研究。

Anna等［2］通过多分辨率的应用在GPU上实现了基于粒子系统的降雨模拟，充分考虑了雨滴的物理属性，最终生成了实时性高、真实感强的三维虚拟场景，但在漫游方面没有做过多的研究。

Bruno等［3］在研究雨滴产生的痕迹以及泼溅效果是也通过粒子系统来生成雨滴。

在国内，徐利明等［4］通过粒子系统实现雨雪的模拟，但是当系统中粒子数量达到360时，漫游速度为24帧／s，实时性低。

李苏军等［5］应用了精确的雨滴降落方程来求解雨滴的运动，通过显示列表来提高系统速率。

最终生成的图像在500个粒子是帧率为100帧／s，实时性好，但是场景逼真度较低，且不能应用与大规模漫游场景。

郭震［6］等实现了一种大场景环境下实时降雨的新方法，该方法添加了雾化效果，同时也实现了雨滴降落地面时的泼溅效果，生成的场景逼真，但未实现漫游效果。

文治中等［7］通过GPU的方法实现了大规模场景高效雨雪的模拟，该方法实时性高，生成的场景真实感强，即使对于万级数量的粒子也能达到百级的渲染速率。

但未实时漫游效果的处理。

最重要的是，上面的方法对于风场对整个雨景的干扰影响处理效果不明显，使得生成的雨景应用范围不广泛。

综合考虑实时性、逼真度、大规模漫游场景等情况下，本文在对粒子系统深入理解的基础上提出了一种应用于大规模漫游环境实时降雨模拟的新方法。

该方法主要通过雨滴粒子模型的建立、极坐标的应用、雨滴粒子的运动简化、雨滴粒子运动过程的精确计算等方法来实现降雨的模拟。

且对于雨滴受风力的影响效果处理逼真。

通过在场景漫游中场景移动而视点不动的方法来实现漫游。

在漫游的过程中通过使生成的雨景始终保持在屏幕上，且面向视点来提高生成雨滴粒子的利用率。

最终，该方法生成的场景真实感强，实时性高，即使在普通的PC机上也可以达到很好的雨景漫游速率。

一个粒子系统是由大量称为粒子的简单体素构成。

每个粒子有一组属性，如位置、速度、颜色和生命期。

一个粒子究竟有什么样的属性，主要取决于具体的应用。

将简单体素和复杂物体行为有机结合、易于实现、易于显示是粒子系统的优点。

这些也决定了粒子系统是构造火焰、水、雨、雪、草地和树林等自然景物的一种有效方法。

粒子系统并不是简单的静态系统，它是不断进化的。

随着时间的推移，系统中已存在的粒子会不断改变形状，不断运动，直到其死亡。

当系统中旧粒子不断消亡的同时，会不断有新粒子的加入。

为了模拟粒子生长和死亡的过程。

每个粒子均有一定的生命周期，使其经历“产生”、“活动”、“死亡”这三个具有随机性的过程。

一般情况下，生成粒子系统某瞬间画面的基本步骤是：（1）生成新的粒子。

（2）给每一新粒子赋予一定的属性。

（3）删除已经超过其生命周期的粒子。

（4）根据粒子的动态属性对粒子进行移动和变换。

（5）绘制并显示由有生命的粒子组成的图形。

实际观测表明，雨滴的最小直径为0.5 mm，最大直径不超过6mm，最大下降速度为9m／s。

高速闪光摄影观察到，一旦雨滴达到最大下降速度，底部就变平，形状似张开的降落伞顶部。

这是由雨滴下降时的空气阻力所致。

由于不同大小雨滴达到匀速下降时存在速度差，下降速度较快的大雨滴与下降速度较慢的小雨滴相遇就会聚合成更大的雨滴，但随着雨滴体积的增大，空气阻力也随之增大。

当雨滴直径大于6 mm时，空气阻力超过了使雨滴保持整体的分子内聚力。

大雨滴便又碎裂分解成小雨滴。

发生大雨或暴雨性天气时的降雨就会出现上述现象。

因此，实际雨滴的落地速度即可能已经达到匀速极限速度，也可能仍处在加速降落状态。

雨滴就是水滴，只是在下落过程中其中会夹有杂质，使得其透明度没有水滴高。

再者下雨天天空的颜色使得雨滴的颜色也呈现灰白色。

根据雨滴的这些行为特征在不影响真实感的情况下，对雨滴粒子的模型做了适当的简化，得到了适合大规模场景的雨滴粒子模型。

2.1 雨滴粒子的定义通过对于雨滴的认识，定义雨滴粒子模型中其属性主要包括状态、位置、速度、加速度、颜色、透明度等。

所有这些属性都是时间t的函数。

随着时间的变化，每个雨滴粒子都要经历“产生”、“活动”和“死亡＂三个过程。

根据雨滴粒子的这些特征，采用下面的结构体来表示雨滴粒子：2.2 雨滴粒子的受力行为描述雨滴不同时刻的状态由其动力学性质决定，如果不受外力作用，雨滴粒子将始终按初始速度匀速下降。

当受到外力的作用时，按牛顿第二定律，粒子将产生一定的加速度。

若对雨滴做较为详细的受力分析，其受到包含重力、空气对其的浮力、雨滴在流体中运动所受斯托克斯力和风力。

下落过程中在竖直方向上，因速度增加，其阻力也在增加，最后重力与阻力平衡，速度不发生改变，这一速度称为终极速度。

风力的方向和大小都有其随机性，会随着时间随机的变化，所以风力对于雨滴粒子的干扰结果也不确定。

综上，雨滴粒子的运动过程随机性强且复杂。

如果要对其运动进行精确的描述，势必将增加系统运算的复杂性，继而影响绘制速率。

所以在此对于雨滴粒子的运动进行了一定的简化。

文中对于雨滴粒子在竖直方向上的运动也简化为匀速直线来计算。

最终，对于雨滴粒子在水平方向和竖直方向上的运动做了如下的假设。

在水平方向上雨滴粒子只受到风力的作用，风力的方向一定，风力大小会随着时间在一定的范围内随机变化，且雨滴粒子在x方向的初始速度为零。

所以雨滴粒子在x方向的运动可以用如下公式来表示：其中，St表示第t个时间单位末在水平方向雨滴的位置，ΔSt+1表示在第t+1个时间单位里雨滴位移的增量，Vt表示t时刻雨滴的速度，at表示雨滴粒子在第t 个时间单位里在水平方向上的加速度，Δt表示两帧之间的时间间隔。

在竖直方向上，设每个雨滴粒子都达到了终极的匀速运动。

则雨滴在y方向的运动过程可以如下公式表示：其中，St表示t时刻雨滴的位置，ΔS表示在第t+1个时间单位雨滴位移的增量，V表示雨滴的速度，Δt表示两帧之间的时间间隔。

2.3 雨滴粒子的形状胡忆默［8］在《水滴形状的真相》一文中提到，真实的雨滴不像泪珠，而是像一粒粒小馒头—上圆下扁。

邵雪辉等［9］在探讨雨滴相关问题时也提到了雨滴的形状，认为其应该为流线型。

但是在做模拟的时候主要是考虑整个雨景的真实感，是从整体上考虑的，所以可以对其形状做些必要的简化。

综合考虑雨滴在下落过程中形状的不确定性，将雨滴粒子简化为四边形面片，采用一种新的方法来生成雨滴的形状。

如图1中Ⅰ图所示的BMP图片作为最基础的雨滴粒子图，在绘制雨滴的过程中分别对图Ⅰ进行竖直方向上的等比例拉伸和非等比例拉伸来生成图Ⅱ和图Ⅲ的两种雨滴粒子效果。

然后采用OpenGL的纹理融合技术，将图Ⅱ或图Ⅲ所示的雨滴的二维纹理图片映射到四边形面片上，就生成了雨滴粒子。

当雨滴接近地面时、夏天大暴雨时、或者风力很大时的速度将会很快，再加上人眼的视觉残留效应，使得看到的雨滴呈流线型。