三、主要研究内容和解决的问题 Read.doc

青岛大学毕业设廿（论文）开题报告题 目：基于粒子系统烟雾的自动生成学 院： 专 业： 姓 名： 赵守运 指导教师： 一、选题的目的和意义近儿十年随着计算机技术的蓬勃发展以及人们在各个领域对图形图像的需求与应用， 计算机图形学有了很大的发展图形图像技术已经应用于工业、军事、航天、医学、交通、 农业等齐个领域计算机图形图像的发展已经并继续影响着人们的生活短短儿十年的发 展，它已经成为了最令人振奋且发展最快的计算机领域计算机图形图像算法的不断岀现 和完善，使三维动画，虚拟现实等领域有了更长远的发展在卡通动画中烟雾、水、光照等效果(effects)对增强动画的效果和烘托动画气氛有十 分重要的作用，其中烟雾效果是动画中常见的场景，例如田野里升起的阵阵烟雾，舞台上 的烟雾，烟筒中冒出的浓浓烟雾以及经常用到的爆破时的烟雾等并且具具有真实感的实 时生成对整个系统的综合表现具有直接的作用但是，由于儿方而的原因，直接实时绘制 其效果是相当困难的首先，场地的复杂度，多样性和烟雾位置的不同导致相应烟雾效果 的不同，根据不同的场景使其不断变化其次，烟雾自身没有固定的儿何外形特征，不能 够使用传统欧式儿何建模方法。

因此，传统的曲线，曲面对构建烟雾系统良好的模型没有 特别的作用在过去的相关研究中，Inakage通过纹理映射实现了一个简单的二维火焰模型, 但是该模型是一个静态的物理模型，无法实现动态的烟雾图像Joe Siam提出了一个来口 热力学原理的基于扩散过程的火焰模型这种方法耍求解表明燃烧物理特性的非线性方程 组，显然，庞大的计算量使Z无法用于实时的绘制在以前高质量卡通动画绘制过程中，一般需要雇佣受过高级专门训练的人员来完成这 些效果的绘制，有吋还需要在进行特效演染，相应地也就增加了制作成木如果资金受到 限制，动画绘制人员一般先画出一段短的动画，然后以它作为一个周期并重复使用来达到 所要求的长度，因此，最后的动画效果看起来有较强的机械感而人们对口动生成烟雾的 研究似乎很少，但并不代表难于实现手T绘制并用程序实现的烟雾不但可以节省大量的 成本，还可以缩短开发周期，使人们更容易掌握，更贴近生活的设计，并且更利于这一领 域的发展二、国内外研究动态伴随着计算机和图形设备的发展，计算机图形学自上世纪50年代初问卅以来，发展 迅猛，并显示了其广阔和诱人的应用前景许多研究课题正吸引着计算机科学工作者的兴 趣和注意，其中计算机动画的发展最为迅猛。

世间物体的形状千奇白怪，有的有固定的形 状，如房子、机械零件等，有的则无固定的形状，如植物、树木、山脉、烟雾、火焰等.对 于有固定形状的物体，人们己能精确地建立它们的儿何模型，用各种方法去描述和模拟.对 于没有固定形状的物体，人们通常是建立它们的拓扑模型，然后加以研究近年来人们对 口然曲面的图像合成进行了大量努力，并且取得了很好的成果这当中的某些算法是基于物体的不规则及模糊状态，而采用碎片、移植或粒子系统，并且将这些研究和物理学相结 合，进而促进了动画的发展对丁朋雾的生成，在过去的儿十年，已经有许多人用各种各样的办法实现了如 MIRALab用湍流函数设计出一个通用的火焰函数模型；Inakage用纹理映射构造了二维火 焰的简单模型，该模型将三维点转换为二维纹理图点，其底纹颜色取决于阴影模型的建 模方法，这种方法难以获得具有真实感的运动图像，人T痕迹极大，只适用于图像真实感 耍求不高的场合；Ohshinma和Itahashi给岀一个基于二维分形纹理和其它处理技术来生成 篝火的方法；Augui, Koh no和Nakajima提出用蜂窝状自动装置(cellular atomata)按简单准则 进行状态转换来模拟酒精灯的焰苗；.Pakeshi等提出了基丁细胞自动机的二维火焰模型, 认为火焰等气体现象都是由简单的组元构成的，组合形态和系统行为可以非常复杂，甚至 产生无法预测的延伸、变形等形式，以至于不能简单地化为某种数学描述；Nishit等给出 一个生成烟雾静止图像的显示方法；Chiba等通过湍流可视化模拟二维火焰和烟雾。

上述 的研究大都致力于真实感的描述，而对传统的用手工方法自动生成烟雾的方法儿乎无人涉 及在我国也有许多人尝试各种方法来研究计算机视景仿真，尤其是对动态口然景物如 云、雾、烟、雪、水流、火花等的模拟中国科学院研究所的陈林、王裕国用粒子系统模 拟岀了喷雾的效果，提出了一种模拟模糊物体的方法，其实现是基于一个粒子系统的集合, 在经过对粒子特性的精心挑选和透明度的高度处理后，避免了庞大的运算；丁纪云、陈利 平、李思昆等人设计了一种基于OpenGL的烟花动态模拟方法，首先将烟花粒子定义为烟 花粒子团，即一组有限的、具有某种相似性质的粒子集合，设计了用于改变粒子的属性， 生命周期的有效算法，实现了 “天女散花”的烟花模拟；浙江大学人丁•研究所的童若锋、 陈凌钧、汪国昭文提出了一个粒子系统和浓度场相结合的烟雾模型，着重研究了粒子在风 力作用下如何运动分裂以及如何真实地描述烟雾的扩散，并给岀了一个快速绘制算法；浙 江大学CAD/CG国家重点实验室里的于金辉，陈海英，彭群生等人根据手工绘制的卡通烟 雾进行分析并提取它的静态结构与动态结构，然后，然后沿骨架进行不同的形状绘制來生 成卡通烟缕和烟团，在此基础上构造一个计算机卡通烟雾模型。

三、主要研究内容和解决的问题木课题主耍研究基于粒子系统的卡通烟雾自动生成粒子系统的基本思想是：采用大量的、具有一定生命和属性的微小粒子图元作为基本 元素来描述不规则的模糊物体在粒子系统中，每一个粒子图元均具有：形状、大小、颜 色、透明度、运动速度和运动方向、生命周期等属性，并且这些属性都是时间t的函数 这些粒子不是一个静态的整体，而是随着时间的推移处在不断运动中的粒子集合体其中 粒子群的分布结构可以改变，各个粒子的位置可以移动，新的粒子可以不断产生，同时I口 的粒子不断死亡一个粒子究竟有什么样的属性，主要取决于具体的应用，可以根抑具体 的场景对粒子的各个属性用函数加以控制粒子的初值由随机过程产生，且每个粒子都是 出自空间的一个粒子源，经过“产生”，“运动”，“消亡”三个阶段粒子系统模型分为静 态模型和动态模型，静态模型一般用于虚拟现实中描述远处的景物或具他静态模糊实体； 大多数用于描述物理模型的动态性和随机性每个粒子都是口主独立的，不存在隶属关系, 粒子Z间以及粒子与粒子系统Z间相互交错，相互影响当生成一个粒子系统时，每时每 刻需耍考虑所有可能影响系统的参数，使得该粒子系统具有很强的灵活性。

由于卡通烟雾 在形态上以及运动方式上都不同于卡通火焰，如何构建粒子系统模盘动态物理模盘就显得 非常重要由于烟雾不存在明显的边界和法向，也就无法用传统的方法进行绘制；再者，烟 雾使气流物体，易流动及扩散特性不易控制；速度的快慢也是评价模型好坏的重要标准通过分析，暂不考虑气流场对粒子运动的影响，可以把课题任务分为下面儿部分：1、 首先建立卡通烟雾的物理模型（静态）2、 定义烟雾粒子的数据结构3、 设定烟雾粒子的初始状态4、 建立烟雾粒子系统的动态变化模型5、 生成烟团或烟雾四、论文工作计划与方案K 1-3周确定论文题H，搜集查找相关资料深入了解课题研究内容及研究方向，完成 开题报告和任务计划；2.4-6周建立初步物理模型，并针对该模型上改进或提出新的算法，完成数学公式的推 导；3、 从第7周开始编程，具体如下：（1） 周初步建立粒子系统静态模型，初始化系统的状态2） 9・10周根据粒子的动态物理模型，建立粒子运动的空间运动方程，利用粒子 系统的动态变化来模拟烟雾的效果3） 11-12周处理三维烟雾的边缘粒子，使之更加逼真4） 13周调试程序，完善课题.4、 14-15周整理材料，完成毕业论文5、准备答辩。