催淚煙霧仿真設(shè)計(jì)范文
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《計(jì)算機(jī)仿真雜志》2014年第六期
1．1催淚煙霧原理催淚煙霧的形成是利用催淚彈中的煙火劑燃燒產(chǎn)生的熱量將裝填在彈體內(nèi)的催淚藥劑加熱汽化，在彈體內(nèi)部與外部環(huán)境形成巨大壓強(qiáng)差，迫使催淚蒸汽從排煙孔急速噴出，在空氣中遇冷迅速凝結(jié)成極小的固態(tài)微粒，形成一種不規(guī)則氣溶膠形態(tài)的固液態(tài)微粒群［8］。催淚煙霧具有以下特點(diǎn):發(fā)射源點(diǎn)面積小，煙霧初始速度大，溫度高，初始位置和運(yùn)動(dòng)方向相同，在運(yùn)動(dòng)的開始階段煙霧粒子所受空氣作用明顯;在運(yùn)動(dòng)過程中，局部溫差大，所受到的熱浮力大小不一，容易發(fā)生局部的漩渦效應(yīng)。催淚煙霧運(yùn)動(dòng)過程可做以下描述:煙霧從發(fā)煙孔噴出時(shí)，由于初速大、溫度高，受到空氣阻力的影響做急劇減速運(yùn)動(dòng);當(dāng)速度降到一定程度時(shí)，受熱浮力、風(fēng)力等影響在空氣中做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。相對于一般火焰煙霧，催淚煙霧運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜，初始的急劇減速運(yùn)動(dòng)和隨后的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)兩個(gè)過程中煙霧的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和規(guī)律明顯不同。而火焰煙霧運(yùn)動(dòng)初始速度不高，受到的空氣阻力不大，沒有明顯的減速過程，整個(gè)過程運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和規(guī)律變化也不大，傳統(tǒng)的煙霧運(yùn)動(dòng)模型通常沒有將運(yùn)動(dòng)過程做詳細(xì)區(qū)分。因此，根據(jù)催淚煙霧的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，傳統(tǒng)的煙霧運(yùn)動(dòng)模型并不適合催淚煙霧的運(yùn)動(dòng)模擬。
1．2粒子系統(tǒng)原理粒子系統(tǒng)是1983年Reeves［6］提出的，它把運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則物體看作由有限的具有確定屬性的流動(dòng)粒子所組成的集合，每一個(gè)粒子都具有形狀、大小、顏色、透明度、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向、生命周期等相關(guān)的屬性，而其中的很多屬性都是與時(shí)間相關(guān)的函數(shù)，隨著時(shí)間的推移，每個(gè)粒子都會經(jīng)歷產(chǎn)生、活動(dòng)和消亡3個(gè)階段，通過對粒子在系統(tǒng)中形狀、特征和運(yùn)動(dòng)來模擬不規(guī)則物體的運(yùn)動(dòng)變化［7］。粒子系統(tǒng)和催淚煙霧模擬的結(jié)合點(diǎn)在于把整個(gè)煙霧看成由很多個(gè)煙霧團(tuán)組成，再用系統(tǒng)中的粒子來表征煙霧團(tuán)，通過對粒子在系統(tǒng)中形狀、特征和運(yùn)動(dòng)來模擬煙霧團(tuán)的運(yùn)動(dòng)變化，從而達(dá)到對整個(gè)催淚煙霧運(yùn)動(dòng)的仿真。
1．3催淚煙霧分段式運(yùn)動(dòng)模擬催淚煙霧從發(fā)煙孔噴出后急劇減速運(yùn)動(dòng)和隨后在空氣中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)階段運(yùn)動(dòng)規(guī)律區(qū)別最明顯，因此本文將催淚煙霧運(yùn)動(dòng)過程大致分為兩個(gè)階段:第一階段為噴煙階段，為煙霧從發(fā)煙孔噴出后受到空氣阻力影響急劇減速的運(yùn)動(dòng)過程;第二階段為擴(kuò)散階段，當(dāng)速度降到一定值后，煙霧在空氣中緩慢擴(kuò)散的過程。對于噴煙階段，此過程持續(xù)時(shí)間短，煙霧運(yùn)動(dòng)速度快，軌跡相對集中，空氣阻滯對煙霧運(yùn)動(dòng)的影響占主導(dǎo)作用，因此可忽略煙霧擴(kuò)散的情況，直接根據(jù)牛頓第二定律求得粒子運(yùn)動(dòng)軌跡方程;對于擴(kuò)散階段，空氣阻力對粒子運(yùn)動(dòng)的作用不明顯，煙霧運(yùn)動(dòng)以擴(kuò)散為主，此階段利用N－S不可壓縮氣體擴(kuò)散模型求得運(yùn)動(dòng)軌跡方程。兩個(gè)階段各自適用對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以速度v1為連接點(diǎn)，共同組成描述催淚煙霧整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的階段運(yùn)動(dòng)模型。
1．4階段運(yùn)動(dòng)模型建立1)煙粒子初始屬性設(shè)置煙霧粒子從發(fā)煙孔噴出時(shí)的狀態(tài)為系統(tǒng)中粒子的初始狀態(tài)，初始質(zhì)量。2)階段力環(huán)境屬性設(shè)置現(xiàn)實(shí)煙霧運(yùn)動(dòng)過程中，空氣阻力、熱浮力、重力、和風(fēng)力是貫穿整個(gè)過程的，除了重力其它力都是隨時(shí)間變化的，在仿真程序中根本不可能實(shí)現(xiàn)精確地控制。為了便于程序?qū)崿F(xiàn)，現(xiàn)將模型中兩階段的受力情況作如下假設(shè):①設(shè)煙霧噴出方向與x－y平面平行和風(fēng)力方向與x－z平面平行;②噴煙階段只考慮空氣阻力、熱浮力和風(fēng)力的影響，由于噴煙階段時(shí)間短、速度快，煙霧軌跡彎曲度不大，故設(shè)定此階段空氣阻力的作用方向始終與煙霧初始噴出方向相反，與x軸夾角為α;③擴(kuò)散階段由于粒子運(yùn)動(dòng)速度小，不考慮空氣阻力的影響。兩個(gè)階段受力情況如表1所示:3)計(jì)算煙粒子軌跡在粒子系統(tǒng)中，將煙粒子的連續(xù)運(yùn)動(dòng)離散化，假設(shè)系統(tǒng)刷新時(shí)間間隔為Δt，在Δt很小的情況下計(jì)算粒子位移時(shí)，可以認(rèn)為在Δt時(shí)間內(nèi)粒子的速度是恒定的，根據(jù)粒子對應(yīng)階段軌跡方程求得經(jīng)歷Δt后煙粒子的位置P(t+Δt)。對于噴煙階段，由于持續(xù)時(shí)間短暫，煙霧運(yùn)動(dòng)速度快，軌跡相對集中，可忽略煙霧擴(kuò)散的情況，直接根據(jù)牛頓第二定律求得粒子的軌跡運(yùn)動(dòng)方程:4)煙粒子和環(huán)境的屬性更新為下一次循環(huán)計(jì)算煙粒子位置做準(zhǔn)備，在經(jīng)歷Δt時(shí)間后，質(zhì)量m不變或稍有擾動(dòng);速度屬性則可根據(jù)粒子處于的階段，按照相應(yīng)的速度變化規(guī)律進(jìn)行刷新。年齡age+=Δt;橫向加速度ax=fx/m;縱向加速度az=fz/m;垂直加速度ay=fy/m;加速度矢量a=ax，ay{，a}z;顏色和透明度應(yīng)相應(yīng)的發(fā)生變化。
1．5模型編程實(shí)現(xiàn)根據(jù)上述煙霧粒子系統(tǒng)模型，在VC++編程的基礎(chǔ)上，利用程序的迭代實(shí)時(shí)刷新粒子在屏幕上的顯示，形成幀動(dòng)畫。利用OpenGL繪制煙霧，使用VegaAPI提供的回調(diào)機(jī)制將煙霧繪制集成到場景中，從而實(shí)現(xiàn)Vega場景中煙霧的模擬，具體實(shí)現(xiàn)方法如下:1)建立粒子類，將粒子的屬性和刷新方法集成到類中;2)在主程序中建立粒子類的實(shí)例數(shù)組，在刷新環(huán)境屬性的同時(shí)遍歷所有粒子實(shí)例，刷新每個(gè)粒子的屬性，刷新時(shí)需要注意:①判斷幀粒子數(shù)量，如沒有達(dá)到要求，則遍歷所有粒子，將死亡的粒子激活，直至達(dá)到要求;②判斷粒子年齡，如已超過壽命，則不再刷新和顯示此粒子;③判斷粒子處于的階段，調(diào)用相應(yīng)階段的粒子運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行刷新。④碰撞檢測。判斷粒子的當(dāng)前位置是否位于反彈面(例如地面)，如果粒子已經(jīng)落到反彈面，則根據(jù)反彈面的傾斜情況和反彈系數(shù)反彈此粒子。3)粒子位置和環(huán)境屬性刷新。粒子的大小隨著壽命逐漸擴(kuò)大，顏色根據(jù)煙團(tuán)的顏色變化，透明度隨著壽命逐漸加大直到完全透明而消失。
2煙霧繪制處理
每一幀畫面中的粒子，在它的各個(gè)狀態(tài)及屬性值都確定以后，就開始繪制和渲染。程序中用OpenGL對煙霧進(jìn)行繪制和渲染時(shí)可針對粒子運(yùn)動(dòng)中的特點(diǎn)采用一些優(yōu)化處理來減少系統(tǒng)開銷和獲得逼真的視覺效果。煙粒子的濃淡分布一般是中心對稱的，從任何方向看，煙粒子的形態(tài)應(yīng)基本相同，因此，為了減少粒子系統(tǒng)繪制開銷，在煙霧粒子系統(tǒng)中采用面向視點(diǎn)的多邊形面片來表示粒子，如圖3所示。由于多邊形面片有分明的棱角，不能表現(xiàn)一些邊界模糊或有湍流運(yùn)動(dòng)的景象。為了消去多邊形的明顯的邊界，利用OpenGL的Alpha融合功能和深度測試功能，再加上紋理和顏色的調(diào)節(jié)，可以模擬出特殊效果。為了模擬粒子效果，每個(gè)矩形上都貼上透明紋理，貼圖后效果如圖4所示。煙粒子一般經(jīng)歷生成、變形擴(kuò)散和消失的過程，運(yùn)動(dòng)形態(tài)相似。可將煙粒子的運(yùn)動(dòng)變化用一組動(dòng)態(tài)紋理來描述，表現(xiàn)出粒子運(yùn)動(dòng)過程中不斷翻滾的現(xiàn)象，讓煙霧從局部到整體更為生動(dòng)。動(dòng)態(tài)紋理組由30張輪廓相同，但形態(tài)不斷變化的紋理圖組成。圖5是翻滾周期內(nèi)不同時(shí)刻的粒子效果，Ti表示一個(gè)翻滾周期內(nèi)第i個(gè)時(shí)刻(i∈［1，30］)。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
本實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境:AMD速龍II250雙核3.0GHz，內(nèi)存4GB，獨(dú)顯GforceGT610，顯存2GB，操作系統(tǒng)是Win7。軟件環(huán)境:編程平臺VC++6.0，圖像繪制OpenGL，視景仿真Ve-ga。按照粒子系統(tǒng)繪制畫面的一般步驟及本文所述的方法，生成催淚煙霧每幀圖像的基本流程如圖6所示。當(dāng)粒子數(shù)為500時(shí)，分別在催淚煙霧兩個(gè)運(yùn)動(dòng)階段截的幀圖像如圖7所示，以及本文仿真畫面和真實(shí)催淚煙霧的對比圖如圖8所示。通過對比可以看出，該模擬方法得到的煙霧圖像在形狀和行為上跟真實(shí)的煙霧都較為相似，逼真的描述出催淚煙霧從產(chǎn)生到擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中模擬場景的復(fù)雜度以及對應(yīng)的畫面幀率如表2所示，從中可以看出，應(yīng)用本文所述方法畫面幀率達(dá)到59.94FPS，能很好的滿足仿真中的實(shí)時(shí)性要求。本文基于粒子系統(tǒng)，結(jié)合催淚煙霧的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立階段運(yùn)動(dòng)模型，描述了催淚煙霧從產(chǎn)生到擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。利用動(dòng)態(tài)紋理映射技術(shù)體現(xiàn)了煙霧粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)的翻滾形態(tài)。通過實(shí)驗(yàn)表明，本文所述方法逼真地體現(xiàn)了催淚煙霧運(yùn)動(dòng)過程中的形態(tài)特征，增強(qiáng)了虛擬場景的真實(shí)感，而且生產(chǎn)速度快，適合在實(shí)時(shí)性仿真中應(yīng)用。
作者：吳華莊弘煒趙法棟黃彩福單位：武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院