徐立濤，鄧啟亮

(西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，陜西西安 710071)

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，粒子系統(tǒng)被認(rèn)為是成功的模擬模糊物體的圖形生成算法。1983年，William T.Reeves提出了一套模擬模糊物體的理論，此方法稱為粒子系統(tǒng)。該系統(tǒng)用大量粒子作為基本元素，并將這些基本元素聚集起來，形成不規(guī)則的模糊物體。在粒子系統(tǒng)中，使用許多粒子的集合來表示模糊物體，每個(gè)粒子的屬性均具有一定的隨機(jī)性，但所有粒子的整體具有規(guī)律性，可表現(xiàn)出模糊物體的特征。粒子系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、三維仿真、游戲開發(fā)、電影特效、科學(xué)仿真、科學(xué)計(jì)算可視化等領(lǐng)域。

照明彈的燃燒效果屬于模糊物體的范疇。其是一種用于發(fā)光照明的彈藥。照明彈通過點(diǎn)燃照明劑，產(chǎn)生劇烈的燃燒現(xiàn)象，發(fā)出耀眼的火光。本文主要研究了照明彈的基本工作原理，使用粒子系統(tǒng)建立了照明彈的模型，并運(yùn)用面向?qū)ο髨D像渲染引擎 OGRE(Object－ oriented Graphics Render Engine)［2－3］實(shí)現(xiàn)照明彈效果的動(dòng)態(tài)仿真。

1 粒子系統(tǒng)簡(jiǎn)介

使用許多微小粒子組成集合體來表示模糊物體的方法，被稱為粒子系統(tǒng)理論。粒子系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的粒子集合體。在粒子系統(tǒng)中，每個(gè)粒子均會(huì)經(jīng)歷產(chǎn)生、發(fā)展和消亡的過程［4］。每個(gè)粒子在產(chǎn)生時(shí)，都被賦予了一個(gè)生命周期，當(dāng)一個(gè)粒子達(dá)到其生命周期時(shí)，將被視為消亡粒子而刪除。與此同時(shí)，新的粒子也在產(chǎn)生，整個(gè)粒子系統(tǒng)在不斷地更新著自身的狀態(tài)［5］。

粒子系統(tǒng)中的粒子，具有宏觀和微觀兩種屬性。宏觀屬性指粒子系統(tǒng)的整體形態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是粒子系統(tǒng)作為整體需要遵循的規(guī)則作用。例如粒子受到重力作用而改變運(yùn)動(dòng)軌跡。微觀屬性指粒子個(gè)體的狀態(tài)參數(shù)，通常受到一個(gè)隨機(jī)過程的控制。例如某個(gè)粒子在某一時(shí)刻的尺寸、形狀和運(yùn)動(dòng)速度等。

粒子系統(tǒng)仿真物體的具體步驟［6］如下:(1)生成新粒子。(2)為新粒子分配初始屬性。(3)遍歷所有粒子并刪除到達(dá)生命周期的粒子。(4)更新存活粒子的屬性。(5)存活粒子的圖像被渲染到屏幕上。

2 照明彈工作原理分析

照明彈是一種用于發(fā)光照明的彈藥［7］。照明彈的彈丸主要包括時(shí)間引信、彈體、拋射藥、照明炬系統(tǒng)、吊傘，且照明炬系統(tǒng)與吊傘相連。照明炬系統(tǒng)內(nèi)部裝有照明劑，照明劑常由金屬可燃物、氧化物和粘合劑等物質(zhì)組成。照明劑燃燒時(shí)，能產(chǎn)生幾千度的高溫，并發(fā)射出耀眼的光芒，同時(shí)具有一定的燃燒時(shí)間。

照明彈通常配備于迫擊炮或中小口徑榴彈炮等射角較大的火炮。使用時(shí)，火炮將照明彈的彈丸發(fā)射到預(yù)定目標(biāo)上空。彈丸到達(dá)預(yù)定的空域時(shí)，時(shí)間引信作用，點(diǎn)燃拋射藥和照明劑。拋射藥的燃燒產(chǎn)生大量氣體，同時(shí)彈丸爆炸照明炬系統(tǒng)和吊傘被拋出，并與彈體分離。吊傘在空氣阻力的作用下打開，搭載著照明炬系統(tǒng)緩慢下落，其速度一般為5～8 m/s。同時(shí)照明炬系統(tǒng)中的照明劑燃燒，發(fā)出耀眼的光芒，照亮周圍環(huán)境，發(fā)光強(qiáng)度可達(dá)40～80萬cd，持續(xù)燃燒時(shí)間通常為25 ～60 s。

3 照明彈模型建立

利用粒子系統(tǒng)理論模擬照明彈效果，關(guān)鍵在于理解照明彈的運(yùn)動(dòng)與變化過程，建立合適的模型［8］。根據(jù)照明彈的工作原理，可將照明彈發(fā)射后的時(shí)間分為兩個(gè)階段，彈丸爆炸前與彈丸爆炸后。本文從照明彈的形態(tài)變化過程和運(yùn)動(dòng)過程兩個(gè)方面分別進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，最終將兩個(gè)方面的模型整合，形成完整的照明彈模型。

3.1 照明彈形態(tài)變化過程建模

根據(jù)理論分析以及實(shí)際觀察的結(jié)果，本文采用兩組不同的粒子系統(tǒng)來模擬照明彈的形態(tài)變化效果。

第一組粒子系統(tǒng)用于模擬爆炸前彈丸的外觀形態(tài)。彈丸從發(fā)射后到爆炸前，外部被彈體包圍，形狀近似為橢球體，其不發(fā)光，且處于高速運(yùn)動(dòng)過程，肉眼不易發(fā)現(xiàn)。采用32×32的粒子位圖圓形作為第一組粒子系統(tǒng)的粒子材質(zhì)貼圖，以模擬彈丸的外觀形態(tài)?？刂频谝唤M粒子系統(tǒng)產(chǎn)生粒子的形狀、尺寸和灰度值不變，這便表現(xiàn)出了此階段彈丸外觀基本不變的特征。而照明彈彈丸發(fā)射的初始時(shí)刻，是將第一組粒子系統(tǒng)置于開啟狀態(tài)。

第二組粒子系統(tǒng)用于模擬爆炸后彈丸的外觀形態(tài)。在彈丸爆炸的瞬間，照明炬系統(tǒng)中的照明劑開始燃燒，發(fā)出明亮耀眼的火光。照明劑燃燒時(shí)，中心部分為一亮斑，周圍有一圈閃耀的光環(huán)。亮斑閃爍，光環(huán)的大小也隨之變化，且亮斑的閃爍具有一定的隨機(jī)性。本文使用第二組粒子系統(tǒng)，仿真照明劑的燃燒效果，并采用一張中央明亮周圍漸變、邊緣呈鋸齒狀的圖片作為第二組粒子系統(tǒng)的粒子材質(zhì)貼圖。使用此粒子系統(tǒng)每秒產(chǎn)生20個(gè)粒子，并設(shè)置每個(gè)粒子的生命周期在0.1～0.3 s中隨機(jī)取值。粒子達(dá)到生命周期時(shí)立即消失，同時(shí)產(chǎn)生新的粒子，從而使粒子系統(tǒng)的整體處于動(dòng)態(tài)平衡。在此系統(tǒng)中，控制每個(gè)粒子的尺寸從初始值迅速地增大，以產(chǎn)生光環(huán)閃耀的視覺效果。同時(shí)令粒子的灰度值隨時(shí)間的推移而減小。粒子的灰度衰減的越快，產(chǎn)生的光環(huán)效果邊緣則越模糊。

動(dòng)態(tài)模擬照明彈的過程中，首先只開啟第一組粒子系統(tǒng)，然后在彈丸爆炸的瞬間，關(guān)閉第一組粒子系統(tǒng)，并開啟第二組粒子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)照明彈外觀形態(tài)的轉(zhuǎn)換。

3.2 照明彈運(yùn)動(dòng)過程建模

為實(shí)現(xiàn)對(duì)照明彈運(yùn)動(dòng)過程的建模，本文使用OGRE圖像渲染引擎，對(duì)照明彈進(jìn)行動(dòng)態(tài)渲染。將粒子系統(tǒng)與一個(gè)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)(Scene Node)綁定，通過對(duì)該場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程的控制。首先創(chuàng)建幀監(jiān)聽器FrameListener方法，獲取每一幀圖像中粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其中包括粒子的中心位置和運(yùn)動(dòng)速度。然后根據(jù)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為粒子添加相應(yīng)的力學(xué)效果。具體實(shí)現(xiàn)過程中，照明彈運(yùn)動(dòng)過程建模分為彈丸的上升階段和下落階段兩部分。

可認(rèn)為彈丸在最高點(diǎn)位置爆炸，因此彈丸的上升階段等于彈丸爆炸前階段。照明彈的彈丸被發(fā)射后，初速度方向幾乎豎直向上。然后在重力的作用下，彈丸的速度逐漸降低，直到速度降為0。此過程滿足公式

其中，v(0)為彈丸的初速度，v(t)為照明彈發(fā)射后t秒時(shí)刻彈丸的瞬時(shí)速度，g為重力加速度，t為照明彈發(fā)射后經(jīng)歷的時(shí)間。軟件模擬的過程中，在FrameListener方法里，添加對(duì)粒子狀態(tài)的監(jiān)視與控制。粒子的初始速度方向?yàn)樨Q直向上。在每一幀中獲取粒子的位置，計(jì)算連續(xù)兩幀圖像中粒子移動(dòng)的距離，以用此距離除以兩幀圖像的時(shí)間差，得到粒子的瞬時(shí)速度。當(dāng)此瞬時(shí)速度＞0時(shí)，設(shè)置粒子獲得了豎直向下的加速度g，g取9.8 m/s2。

彈丸的下落階段等于彈丸爆炸后階段。彈丸在最高點(diǎn)爆炸后，吊傘打開，為照明炬系統(tǒng)提供了豎直向上的空氣阻力，此空氣阻力的大小等于照明炬系統(tǒng)和吊傘的總重力。照明炬系統(tǒng)在豎直方向上受力平衡，以每秒數(shù)米的均速下落，直至照明劑熄滅或落地。在軟件模擬的方法中，通過FrameListener方法，獲取粒子的瞬時(shí)速度。在此瞬時(shí)速度為0的瞬間，設(shè)置粒子的加速度等于0，同時(shí)改變粒子的運(yùn)動(dòng)速度，使得粒子做方向向下的勻速直線運(yùn)動(dòng)。繼續(xù)監(jiān)視粒子的狀態(tài)，若粒子降落到了地面位置，或粒子系統(tǒng)的開啟時(shí)間達(dá)到設(shè)置的閾值，則將粒子系統(tǒng)關(guān)閉。

4 照明彈效果渲染

使用OGRE圖像渲染引擎將建立的照明彈模型整合，并加載到場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明彈效果的動(dòng)態(tài)渲染［9］。圖1為仿真的照明彈效果圖像，其中圖1(a)為彈丸爆炸前的仿真效果，圖1(b)為彈丸爆炸后的仿真效果。

圖1 仿真的照明彈效果圖像

5 結(jié)束語

本文研究了照明彈的基本原理，建立了照明彈的模型，并仿真了照明彈的效果。文中分別從形態(tài)變化過程和運(yùn)動(dòng)過程兩方面，對(duì)照明彈進(jìn)行分析建模，并使用粒子系統(tǒng)模擬照明彈效果，驗(yàn)證其具有動(dòng)態(tài)性，且視覺真實(shí)感較強(qiáng)。

［1］WILLIAM T，REEVES L L.Particle systems－ a technique for modeling a class of fuzzy objects［J］.Computer Graphics，1983，17(3):359 －365.

［2］Clay Culver.OGRE 網(wǎng)上教程［M/OL］.(2008－04－08)［2013 －02 －14］http://www.sudu.cn/info/html/edu.

［3］FELIX K.Ogre 3D 1.7 beginner's guide［M］.Birmingham，UK:Packt Publishing Ltd.，2010.

［4］王靜秋，錢志峰.基于粒子系統(tǒng)的焰火模擬研究［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，33(2):166－170.

［5］詹榮開，羅世彬，賀漢根.用粒子系統(tǒng)理論模擬虛擬場(chǎng)景中的火焰和爆炸過程［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2001，37(5).91 －92，128.

［6］顧大曄.基于粒子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)模糊場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)［J］.電子科技，2011，24(8):5 －7.

［7］鄭濤，徐曉剛，歐立銘.基于物理建模的爆炸效果仿真技術(shù)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(7):3 －8.

［8］冷冕冕，孫少斌.基于粒子系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)特效通用模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，29(8):2124 －2127.

［9］張桂花，王均.粒子系統(tǒng)理論在三維實(shí)時(shí)場(chǎng)景渲染中的應(yīng)用研究［J］.大眾科技，2011(11):22－25.