华中科技大学硕士学位论文基于粒子系统的喷焰流场实时仿真研究姓名：鄢博申请学位级别：硕士专业：系统分析与集成指导教师：任波20090526华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文I摘摘 要要在三维仿真的渲染过程中，传统的建模方法一般只适用于外形比较规则的物体，对于那些像雨、雪、瀑布、喷泉以及火焰等没有固定形状，甚至要随着外部环境或者其他因素的改变而改变的物质建模，传统的方法就显得无能为力了。对于火箭尾喷焰效果的三维仿真，由于其具有不规则的几何外形和内在的不确定性，更不能用通常的三维建模方法来制作。火箭在发射时，火箭发动机尾部会产生尾焰，同时产生大量烟雾，火箭尾焰是推进剂燃烧后生成的高温、高速气体在喷管后形成的复杂湍流。它不同于静态景物，具有产生、发展和消灭的历程，对于这种景物，计算机图形学是用粒子系统来描述的。本文对高度欠膨胀射流流动物理模型进行分析，对喷焰流场喷管出口处，马赫盘波前和马赫盘波后三处截面参数进行计算，总结喷焰流场气体运动的一般规律并且对火箭尾焰物理模型进一步简化，研究粒子系统中粒子的运动算法。采用粒子系统和纹理贴图相结合的方法，对粒子进行面片化。最后本文使用Visual C+和OpenGL图形库编程实现本文算法，并在三维场景中模拟火箭尾喷焰的三维效果。关键字：关键字：火箭尾焰， 流场， 粒子系统， 实时模拟华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文IIAbstractIn the process of the three-dimensional simulation rendering, the traditionalmodeling method is only applicable to the regular objects. When those things who haveno fixed shape like the rain、 snow、 waterfalls、 fountains and flame, even the shape of thethings change by the changes of the external environment or other factors, the traditionalmodeling method is powerless. In the simulation of flame spray, because of its regularshape and the inherent uncertainty, we can not use the traditional modeling method.When the rocket launched, there are flame generating under the tail of rocket engine, atthe same time it generate a lot of smoke behind. The high temperature and high-speedflame and smoke are generated by the propellant burn. This airflow is different from thestatic scene, its process include generation、development and destroy. In ComputerGraphics, we use particle system to simulate it. This thesis analysis the flow field of thefire, calculated the parameters of section 1 to 3, summed up the movement of air current,simplified the model and researched the particle system algorithm, and finally we useVisual C+ and OpenGL programming to simulate it.Key Words：Flame spray；Flow field：Particle system；Real-time simulation独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保 密，在_年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本论文属于华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文3第一章第一章 绪绪 论论1.1 选题目的及意义选题目的及意义人们所生活的世界中有很多自然物体是模糊的、随机的、无规则的，人们如何在计算机中逼真地再现这些不规则的物体已经成为研究者们热门的方向。利用计算机图形学对自然物体进行模拟，如水花、火焰、云雾、烟尘等，越来越成为研究者们具有挑战性的研究方向之一。自然景物中的对海水波浪、雨滴和火焰等的模拟，在各种领域比如电脑游戏和虚拟现实仿真等中有着很广泛的应用，目前仿真领域的热点也是对一些模糊的、随机的自然景物进行模拟，同时对自然景物的模拟也成为了未来计算机图形学发展的一个重点方向。例如，在影视作品中添加一些通过计算机生成的特效图像能让其视觉效果大大提升；焰火爆炸、电闪雷鸣、海水浪花、飞砂扬尘等动态图像的生成可以为视频特技制作提供大量的创作素材。在虚拟现实复杂的可视化仿真系统中，整个场景的一个重要组成部分包括了海浪、火花、云雾、烟尘等特殊效果，对这些自然景物的模拟逼真度直接影响着整个系统。在仿真领域中，对云、水流和火焰烟雾等自然景物的模拟有着广泛的应用途径。比如在冬季漫天飞舞的雪花，夏季气势磅礴的瀑布飞流直下，或者是下暴雨时天空中电闪雷鸣，大海中波涛汹涌的巨浪等景象都能让电脑游戏和虚拟社区的玩家感到身临其境；沙漠风暴中漫天的沙尘飞舞滚动，星际大战中双方势力激战时以及行星相撞的壮观景象都能给电影院中看电影的观众带来无与伦比的视觉冲击。在虚拟现实中，准确地模拟导弹精确运行轨迹对指挥员的指挥经验有着巨大的帮助，在城市仿真中，模拟大楼中火势疯狂蔓延的景象，能有助于人们更好地分析遇到火灾时人流疏散的方式，为消防人员在实战中提供宝贵的经验。飞行教练在训练学员时，在模拟飞行器中真实地再现现实中的飞行环境，可以避免不必要的伤亡，同时也可以减少高额的训练费用。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文4火箭在发射时，发动机尾喷口会出现尾焰，同时产生大量的烟雾。火箭尾焰具有不规则的几何外形和内在的不确定性，不能用通常的三维建模方法来制作。它不同于静态景物，具有产生、发展和消灭的历程，对于这种景物，计算机图形学是用粒子系统来描述的。粒子系统使用基本的简单质点来构建物体模型，代替了以前使用三角形甚至使用曲线来定义物体的方法。粒子系统中的每一个粒子都拥有自己的属性，如位置、颜色或尺寸等，这些属性可以随着时间随机地变化。由大量粒子构成的物质模型的外表也会随着单个粒子属性的变化而改变。粒子系统根据粒子的产生、变化和消灭来刻画自然界的不规则变化现象，例如对于火焰、云雾、水浪等，用粒子系统来表现能够达到很好的逼真度。1.2 国内外研究概况和研究现状国内外研究概况和研究现状Reeves W.T.最早在 1983 年提出了粒子系统，他提出的这个系统主要是用来解决由大量变化的或者是按照一定规则运动的微型物质组成的外形不规则的物体在计算机上图像生成和显示问题1。粒子系统的最大特点是充分体现了模糊物体的动态性和随机性。目前，粒子系统为模拟模糊的、随机的、不规则的物体提供了先进的技术手段，它也被认为是模拟不规则物体最有效率的图像生成算法。在粒子系统的定义中2，模糊自然物体被定义为由大量随机的、不规则的粒子组成，这种方法不同于以往传统的绘制、建模图像的方法。粒子系统中的每一个粒子都是独立存在的，它们都拥有各自的属性和一定的生命期。每一个粒子的形状和运动状态都是随着时间的改变而不断变化3。与以往传统的造型方法进行比较，粒子系统能不断随着周围环境的改变而不断变化，每一个粒子的特征都能反应整个物体局部特性，因此由大量粒子构成的集合就能系统地表现出事物的整体特征，同时，随着时间的改变，粒子也会不断的改变自身属性和运动状态，整个系统的属性也会随着粒子状态的变化而变化，所以粒子系统不是简单的静态系统，而是随着时间的变化处在不断运动中的粒子集合4。Loke 等人5在 1992 年采用链表数据结构对每个粒子的内存信息进行分配储华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文5存，他们设计了一种用来模拟各种火花、焰火特效的粒子系统绘制引擎，他们用粒子衍生的方法来展现焰火粒子的运动轨迹并实现了多种焰火的特效，从而提出了一种基于焰火模拟的粒子系统绘制算法。Richard 和 David 提出了有向粒子的概念6，该方法可模拟出物体表面断裂，连接以及延伸等效果，他们阐述了此类基于粒子系统的变形物体表面建模方法。John Burg 对 Reeves 的工作进行了扩展，他建立了一种高级粒子系统7，这种粒子系统就是基于原有粒子系统的结构，即粒子本身就是粒子系统。在实时仿真领域，目前已知最好的能实现实时火焰仿真的办法是 1998 年Matthias 和 Andrzej 提出来的粒子系统和纹理贴图相结合的方法。其基本思想是用贴纹理的二维平面代替粒子系统中的粒子，这样可以大大减少所需的粒子数量，原来粒子的运动用面片顶点的运动代替。几十个平面就可以表现原来成千上万个粒子呈现出来的形态。这种方法虽然降低了模拟的物理真实性，但在只要求视觉效果而不需要进行物理模型仿真的虚拟现实和视景仿真等环境中，却能达到实时性和真实性的兼顾。粒子系统将无定形的和流动的形状(例如水、火和烟雾)表现为一组在仿真期间互不影响的点的集合，即通过将每一微粒画成一个像素点或者作为一个小的布景板来描绘边界模糊的无定形物质。Reeves曾用粒子系统的方法为电影“Star Trek：TheWarth of Khan”绘制了两个星球相撞时爆发大火而蔓延至整个星球的景象1。Chen等8用粒子系统结合流体动力学模型和行为模拟技术模拟了车轮扬起的尘土。Unbescheiden等从烟雾、水蒸气和云等云状物的物理原理出发, 用粒子系统建立了云状物的模型9。刘耀周等用三角面片代替粒子,采用与纹理结合的方法，用粒子烟团模拟导弹飞行航迹及烟雾的生成与消散。鄢来斌等基于气体动力学和粒子系统理论，以球为基本粒子对烟进行造型，提出一种动态浓烟建模与实时生成动态浓烟的方法。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文61.3 本文的主要研究工作本文的主要研究工作本文首先对典型火箭尾喷焰气体流场特性进行研究分析