CN106342298B - 一种多点爆炸效果的实时生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多点爆炸效果的实时生成方法，通过速度场模型的建立和计算，对经典的流体运动模型Navier-Stokes方程进行简化处理，采用分步法在GPU上实现模型求解，获得速度场；粒子系统的更新，在GPU上根据速度场的值更新粒子的位置，根据爆炸光照模型更新粒子的颜色，并更新粒子的其他属性；真实感绘制，根据粒子中心点图元生成四边形粒子图元，利用三维纹理给粒子贴图，得到最终的颜色。本发明可完全基于GPU来实现物理模型的计算、粒子系统的更新和绘制，具有实时性好，物理真实感强的特点。

Description

一种多点爆炸效果的实时生成方法

技术领域

本发明涉及一种多点爆炸效果的实时生成方法。

背景技术

爆炸效果等不定形物体以及流体仿真的研究已经发展了多年。在游戏娱乐、科学计算、仿真训练等方面具有很高的实用价值，也一直都是一个非常具有挑战性的研究热点。

1983年，Reeve首次系统地提出了粒子系统的方法，该方法逐渐成为模拟不规则物体最有效的方法，为如爆炸、火焰、烟雾等不规则物体的模拟提供了强有力的技术手段，目前这种方法已经在商业系统中得到了广泛的应用。粒子系统虽然简单、灵活，但是也有其缺点，包括真实感有限，粒子的运动不易控制等问题。

基于物理的爆炸效果模拟需要对三维空间中的流体力学方程进行求解，因而具有非常高的计算复杂度。近几年来，随着多计算机硬件技术的发展，基于物理模型的爆炸效果的建模与仿真技术得到了迅猛发展，成为计算机图形学领域新的研究热点，取得了丰硕的成果，借助于GPU并行加速计算，在特定范围和精度下的流体模拟已经基本可以满足实时交互的需要，但是对于多点爆炸效果的模拟方面仍然难以达到实时性。

为了解决上述问题，本发明基于物理模型和粒子系统相结合的方法，并结合GPGPU(General-Purpose Computing on Graphics Processing Units)等技术提出了多点爆炸效果的实时模拟方法，该方法可在多个爆炸点下，得到实时逼真的效果。

发明内容

针对现有多点爆炸效果生成技术的不足，本发明提出了一种多点爆炸效果的实时生成方法，本发明的方法基于物理模型和粒子系统相结合的多点爆炸效果生成算法，通过使用基于GPU的数据结构和算法，实现了三维多点爆炸效果实时模拟。本发明一种多点爆炸效果的实时生成方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，将仿真区域划分为若干正方体单元网格，定义两张与网格大小相同的速度纹理，将其中一张作为渲染目标速度纹理，并根据爆炸剧烈程度，设定初始爆炸流体速度值，运行一遍初始化着色器，将仿真区域内的爆炸流体速度分布初始化为一个半球形区域，根据粒子数，在GPU上定义两个顶点缓冲区，并对粒子、颜色、大小和生命值进行初始化，将粒子的分布初始化为以爆炸中心为圆心的半球形区域内，并将初始化后的粒子拷贝到其中的一个顶点缓冲区；

步骤二，设定爆炸流体所受的外力(f)向上，利用计算流体力学中的分步法计算每一时间步长单元网格的爆炸流体速度值(u)，具体方法是：

设t_n时刻，速度值为uⁿ，以速度值uⁿ作为输入计算外力项得到第一中间速度值u^*；再以中间速度值u^*作为输入计算对流项得到第二中间速度值u^**.最后，以第二中间速度值u^**作为输入计算压力项得到一个时间步长后的速度值uⁿ⁺¹，即t_n+1时刻的速度值；

步骤三，利用步骤二获得的速度值uⁿ⁺¹，更新在爆炸流体场中粒子的位置，即利用粒子所在位置，将其变换为纹理坐标，通过纹理坐标访问速度纹理，得到粒子所在处的速度值，根据该速度值和时间步长，更新粒子的位置，然后根据爆炸光照模型更新粒子的颜色，并更新粒子的其他属性；

步骤四，根据粒子中心点图元生成四边形粒子图元，利用三维纹理给粒子贴图，绘制爆炸效果的真实感，得到最终的颜色。

利用规则正方体单元网格离散化仿真区域，简化复杂的爆炸初始状态的初始化。

所述模型建立和计算时，对复杂的流体运动物理模型利用分步法将模型拆分成若干简单项求解。

所述将拆分的每一简单项在GPU上实现为一个计算内核，以浮点纹理形式存储物理量值，以增强计算的实时性。

当粒子系统的更新，利用物理模型生成的速度场来控制粒子的运动，通过双顶点缓冲在GPU上实现。

所述获得爆炸效果真实感的方法，采用几何着色器的图元输出能力，将点图元生成为四边形的粒子图元。

与现有技术相比，本发明多点爆炸效果的实时生成方法的优点在于：

1、利用物理速度场来控制粒子的运动，解决了一般粒子系统中，粒子运动控制不易控制的问题，采用三维纹理贴图的方法，使得效果更加真实，同时利用粒子系统来绘制多点爆炸效果，使得多点爆炸效果能够达到实时；

2、利用分步法的思想对复杂的模型进行了分解，利用三维纹理来存储数据，对压强采用压缩存储的方式，在GPU上实现了模型的求解，加速了模型的计算；

3、提出了在GPU上采用双顶点缓冲实现粒子系统的更新，并充分几何着色器的强大图元输出能力，提高了粒子系统的更新和绘制效率。

附图说明

图1本发明多点爆炸效果的实时生成方法流程框图；

图2为本发明多点爆炸效果的实时生成方法四通道RGBA格式存储压强值形成示意图；

图3为本发明多点爆炸效果的实时生成方法基于GPU粒子系统实现流程示意图；

图4为本发明多点爆炸效果的实时生成方法三维纹理切片示意图；

图5为有无爆炸光源的效果对比图；

图6为多点爆炸场景效果图。

具体实施方式

本发明多点爆炸效果的实时生成方法，利用物理模型来生成速度场，控制粒子的运动。为了计算的方便和实时性，本发明通过分步法的思想，将复杂的物理模型拆分若干简单项，每一项在GPU上实现为一个计算内核(像素着色器)，利用三维纹理作为物理量在GPU上的存储形式，采用渲染到纹理技术，解决纹理不能同时读写的问题；采用双顶点缓冲方法在GPU上实现粒子系统的更新，包括位置(利用速度场值更新)和颜色(利用爆炸光源模型和场景光源模型更新)等属性的更新；充分利用几何着色器的图元输出能力，将粒子中心点图元生成为四边形的粒子图元，为了增强效果的真实感，利用三维纹理给粒子贴图的方式，获得粒子最终的颜色。主要包括：速度场模型的建立和计算，通过对流体运动模型的合理简化，得到速度场模型，利用分步法的思想将物理模型拆分成若干简单项来求解，为了使得解法稳定，采用了隐式计算方法，为了增强计算的实时性，将拆分的每一项在GPU上实现为一个计算内核，以浮点纹理形式存储物理量值，在GPU上实现了物理模型的求解，同时采用压缩存储压强的方式，提高压力泊松方程在GPU上的迭代求解效率。粒子系统的更新，在GPU上根据获得的速度场值更新粒子的位置，根据爆炸光照模型更新粒子的颜色，并更新粒子的其他属性。爆炸效果的真实感绘制，根据粒子中心点图元生成四边形粒子图元，利用三维纹理给粒子贴图，得到最终的颜色。

下面结合附图对本发明多点爆炸效果的实时生成方法做详细描述。

如图1所示，本发明一种多点爆炸效果的实时生成方法，初始化多个爆炸流体速度场和粒子系统，每个速度场与1～3个粒子系统组成一个子系统，即速度场控制相应粒子系统的运动。设定每个子系统的爆炸开始时间和爆炸持续时间，仿真开始后，每个子系统开始计时，当某子系统达到其爆炸开始时间后，先更新速度场，然后更新粒子系统，最后对粒子系统进行真实感绘制，如果仿真没有结束且子系统没有达到爆炸持续时间，则重复子系统更新和绘制的过程。其中，

由于本发明多点爆炸效果的实时生成方法模拟的是爆炸的可见效果，而不是冲击波的作用效果，爆炸流体的速度小于声速，因此，选择计算流体力学中不可压的流体模型，同时爆炸流体的粘性系数很小，对速度场的变化几乎没有影响，所以忽略流体的粘性，得到简化后的物理模型(速度计算公式)：

$\frac{\∂u}{\∂t}=-(u\·\▿)u-\▿p+f---\left(1\right)$

$\▿\·u=0---\left(2\right)$

这里u表示速度，t为时间，p为压强，ρ为密度，υ是粘性系数，f为外力和，为微分算子。

将仿真区域采用规则的立方体单元网格进行离散化，爆炸流体速度定义在单元网格的中心，采用“分步法”的思想对模型进行求解，对于方程(1)，将其分解为式(3)、(4)、(5)三项。设某时刻的速度为uⁿ，要求经过一时间步长Δt后的速度uⁿ⁺¹的过程为：首先将uⁿ作为初始值，根据(3)求得中间速度场值u^*，然后将u^*作为方程(4)的初始值，根据(4)求得中间速度场值u^**，最后利用u^**，根据方程(5)得到一时间步长后的速度场值uⁿ⁺¹。从速度的计算过程可以看出，对于拆分的每一个方程，后一个方程的求解都依赖于前一个方程的解。

$\frac{\∂u}{\∂t}=f---\left(3\right)$

$\frac{\∂u}{\∂t}=-(u\·\▿u)---\left(4\right)$

$\begin{array}{ccc}\frac{\∂u}{\∂t}=-\▿p& s.t.& \▿\·u=0\end{array}---\left(5\right)$

利用GPU的可编程流水线，通过对顶点着色器(Vertex Shader)、几何着色器(GeometryShader)和像素着色器(Pixel Shader)单元进行编程，实现对速度求解方程的数值求解。具体方法是，利用三维纹理作为速度在GPU中的存储结构，在顶点着色器和几何着色器中根据输入网格顶点的纹理坐标和单元网格的大小，求出每一个顶点的渲染目标面片和相邻六个网格点的纹理坐标，在像素着色器中，实现方程的具体求解算法，即根据分解方程计算得到该顶点处的速度值。由于模型分解后的每一方程的求解都依赖前一方程求得的中间结果，为了实现这种依赖，将每一方程求得的中间结果存储到一张中间纹理中，作为下一步计算的输入。在像素着色器输出阶段，采用渲染到纹理技术，根据顶点存储的纹理坐标和渲染目标面片，将计算结果输出到纹理的相应元素中。

$p_{i,j,k}^{(n+1)}=\frac{1}{6}(p_{i+1,j,k}^{\left(n\right)}+p_{i-1,j,k}^{\left(n\right)}+p_{i,j+1,k}^{\left(n\right)}+p_{i,j-1,k}^{\left(n\right)}+p_{i,j,k+1}^{\left(n\right)}+p_{i,j,k-1}^{\left(n\right)}-\frac{h^2}{\mathrm{\Δ}t}{\left(\▿\·u^{**}\right)}_{i,j,k})---\left(6\right)$

式(6)是由方程(5)导出的三维迭代公式，可以看出，为了得到第n+1次迭代网格点(i，j，k)的压强值需要采样第n次迭代结果中网格点(i，j，k)周围六个网格点的压强值和一个速度值，由于这些值都存在三维纹理中，一次压强值的迭代更新就需要对压强纹理进行6次采样。当GPU中对纹理的采样相对来说是比较耗时时，采用压缩存储压强的方式，以提高迭代的效率，如图2所示，将单通道纹理格式改为四通道RGBA格式来存储压强值。通过这种存储方式，每采样周围六个网格点的值和一个速度值，可以更新中心单元格中存储的4个压强值，这样减少了采样次数，从而提高了迭代效率。利用方程(3)、(4)、(5)获得速度场值，并将其存储在三维纹理中。

粒子系统的更新，根据模拟多点爆炸效果的需要定义了粒子的位置、颜色、生存时间、粒子大小、旋转量等属性。生存时间和旋转量的更新，都是随时间累加的过程，粒子大小则是随时间递减。其中，

粒子位置更新采用如下公式实现，

x_new＝x_old+wΔtu

式中，u为速度，根据粒子所在位置，采样速度纹理得到，为了防止大多数粒子在爆炸开始时飞出仿真区域，利用权重w来控制速度对粒子位置的影响，粒子的运动由严格的物理模型控制。

为了实现粒子颜色的更新，针对光照模型对粒子颜色的影响，采用爆炸光源和场景光源两种光源。首先计算每个粒子受到所有爆炸光源的光强和，对于每个爆炸点产生的光源，将其看着点光源，使用距离d的二次函数的倒数来实现光强的衰减，如下：

$f\left(d\right)=\frac{1}{c_0+c_{1}d+c_2{d}^2}$

设第i个爆炸光源的光强为I_i(t)(随时间递减)，则得到粒子受到爆炸光源的光强和，如下：

$I_P=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}f\left(d_i\right)I_i\left(t\right)$

再设第i个爆炸光源的颜色值为C_i，则得到粒子在爆炸光源影响下的颜色：

$C_P=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_{i}f\left(d_i\right)I_i\left(t\right)$

最后计算场景光源对粒子的影响，对于场景光源，我们采用的是平行光，设其方向向量为D_L，则粒子受到场景光源的光强为：

I_L＝max(0.1，D_n·D_L) (7)

式中，D_n为P点的法线向量。

为增强多点爆炸效果的实时性，粒子系统的更新在GPU上采用双顶点缓冲区来实现，首先将CPU上初始化的粒子存储到GPU的一个顶点缓冲区，在顶点着色器和几何着色器更新粒子的属性，将更新后的顶点流输出到另一顶点缓冲区。每一帧交换两个顶在点缓存的位置，即可在GPU上实现粒子系统的更新。

爆炸效果的真实感绘制，效果的绘制首先要选定粒子的基本图元，使用点或简单的几何图形，本发明采用的是四边形图元。前面将更新后的粒子存储在顶点缓冲区中，只需绘制更新后的顶点缓冲区就可以得到爆炸效果。其中，顶点缓冲区里存储的只是四边形中心点图元，不是真正意义上的粒子。所以为了获得四边形粒子图元，利用几何着色器的图元输出能力，将中心点图元加上偏移生成四边形的四个顶点，根据四个顶点输出两个三角形来表示四边形图元。在更新阶段只保存粒子中心点图元，使得在更新阶段处理的顶点数只有实际粒子顶点数的四分之一，提高了效率。

为了使爆炸获得逼真的视觉效果，采用三维纹理给粒子贴图的方式。图4是三维纹理的切片示意图，根据粒子图元顶点存储的二维纹理坐标及粒子当前生存时间与生命期的比值得到三维纹理坐标，然后利用该纹理坐标来获得三维纹理中的数据。式(7)中粒子的法线D_n的值由三维纹理数据RGB通道值求得，现在给出粒子颜色的计算公式：

C＝C_old+C_P

k＝α·I_P

C_new＝(1-k)I_LC+kI_PC

其中C_new为粒子的颜色，k为插值系数，α为三维纹理数据A通道值。对仍处于生存期的每一个粒子，更新其属性值，然后绘制每个粒子，就可以得到该粒子系统所呈现出的效果，图3给出了基于GPU实现的粒子系统图，从图中可以看出，主要分为初始化、更新和绘制三部分。

本发明多点爆炸效果的实时生成方法，实验使用的硬件环境为Intel Core(TM)2 QuadCPU(Q9400，2.66GHz，2.67GHz)，4.0GB内存，NVidia Geforce GTX460(1024MB显存)显卡；软件环境为Windows7 64位操作系统，开发环境为Microsoft Visual Studio 2008，开发语言用的C++，底层图形绘制API采用DirectX June 2010，并且使用HLSL编写Shader程序。

表1列出了多个爆炸点在不同网格下的绘制帧率，从表1中可以看出，在子系统个数和总的粒子数保持不变的情况下，随着网格大小的增加计算帧率降低，总的仿真帧率也降低，两者降低的幅度基本一致，说明粒子系统的绘制效率不随网格大小而变化，实际上粒子系统的绘制效率只与粒子的总数相关。同时我们也看到在多个较大网格的流体场下，仿真仍然能达到实时，说明本发明基于物理模型和粒子系统相结合的方法来实时生成多点爆炸效果是可行的。从图5中可以看出，添加爆炸光源(图5(c)和(d))极大地增强了爆炸效果的真实感，从图6中可以看出本发明提出的方法较逼真地模拟出了多点爆炸场景。

表1 多点爆炸系统的实时绘制帧率表

本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种多点爆炸效果的实时生成方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，将仿真区域划分为若干正方体单元网格，定义两张与网格大小相同的速度纹理，将其中一张作为渲染目标速度纹理，并根据爆炸剧烈程度，设定初始爆炸流体速度值，运行一遍初始化着色器，将仿真区域内的爆炸流体速度分布初始化为一个半球形区域，根据粒子数，在GPU上定义两个顶点缓冲区，并对粒子、颜色、大小和生命值进行初始化，将粒子的分布初始化为以爆炸中心为圆心的半球形区域内，并将初始化后的粒子拷贝到其中的一个顶点缓冲区；

步骤二，设定爆炸流体所受的外力(f)向上，利用计算流体力学中的分步法计算每一时间步长单元网格的爆炸流体速度值(u)，具体方法是：

设t_n时刻，速度值为uⁿ，以速度值uⁿ作为输入计算外力项得到第一中间速度值u^*；再以中间速度值u^*作为输入计算对流项得到第二中间速度值u^**：最后，以第二中间速度值u^**作为输入计算压力项得到一个时间步长后的速度值uⁿ⁺¹，即t_n+1时刻的速度值；

步骤三，利用步骤二获得的速度值uⁿ⁺¹，更新在爆炸流体场中粒子的位置，即利用粒子所在位置，将其变换为纹理坐标，通过纹理坐标访问速度纹理，得到粒子所在处的速度值，根据该速度值和时间步长，更新粒子的位置，然后根据爆炸光照模型更新粒子的颜色，并更新粒子的其他属性；

步骤四，根据粒子中心点图元生成四边形粒子图元，利用三维纹理给粒子贴图，绘制爆炸效果的真实感，得到最终的颜色。

2.根据权利要求1所述多点爆炸效果的实时生成方法，其特征在于步骤一利用规则正方体单元网格离散化仿真区域，简化复杂的爆炸初始状态的初始化。

3.根据权利要求1所述多点爆炸效果的实时生成方法，其特征在于所述模型建立和计算时，对复杂的流体运动物理模型利用分步法将模型拆分成若干简单项求解。

4.根据权利要求3所述多点爆炸效果的实时生成方法，其特征在于所述将拆分的每一简单项在GPU上实现为一个计算内核，以浮点纹理形式存储物理量值，以增强计算的实时性。

5.根据权利要求1所述多点爆炸效果的实时生成算法，其特征在于粒子系统的更新，利用物理模型生成的速度场来控制粒子的运动，通过双顶点缓冲在GPU上实现。

6.根据权利要求1所述多点爆炸效果的实时生成算法，其特征在于所述获得爆炸效果真实感的方法，采用几何着色器的图元输出能力，将点图元生成为四边形的粒子图元。