粒子系统理论及其在飞行模拟器实时视景仿真中的应用研究

【摘要】：仿真是近年来发展起来的一门新兴学科，随着仿真的理论方法和应用技术研究的深入，应用数字计算机对实际系统或假想的系统进行仿真越来越受到人们的重视。近年来，由于网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多项高新技术的发展，加快了仿真技术发展的步伐。 随着可视系统的应用日益广泛，人们对可视系统的模拟逼真度的要求也越来越高，人们渴望与自然更相符的可视环境，尤其在飞机、轮船和汽车等的模拟环境中，对自然景物的模拟程度将直接影响训练的效果，因此自然景物的模拟一直是人们研究的重点。 目前我国军队的实际现状是，飞行员的训练要求尽可能的全面和完善，飞行员要求具有较高的适应能力，能在各种特殊情况下进行飞行，强调战斗机的利用率和完好率，这些都要求飞行员能对多种特情进行处置。因此对飞行模拟器实时视景仿真的特殊气象的模拟具有很重要的现实意义。 但是由于计算机等手段的制约和雪、雨运动的不规则性，所以一直以来，在飞行模拟器中都没有雪、雨特效的模拟。 雨和雪都是自然景象，在日常生活中随处可见，因此雨、雪效果在虚拟战场环境中是必不可少的。模拟下雨和下雪能使飞行员有身临其境的感觉。虽然对“雨”和“雪”这两个词的含义已有非常清楚的概念，但是要给它们下一个确切的定义却是十分困难的，因为雨和雪都具有极大的随机性和不确 WP=116 定性，颗粒众多，动态性极强，运动没有规律；如何建立恰当的模型，生成有真实感的实用的雨、雪效果，一直是计算机图形学领域具有挑战性的研究方向之一。 1983年Reevs提出了粒子系统理论，为模拟不规则模糊物体提供了崭新的方法。它是迄今为止被认为模拟不规则模糊景物最成功的一种图形生成算法。在粒子系统中我们关心的只是景物的总体形态和特征的动态变化，而不是每个粒子本身。粒子系统的这一特征，使它充分体现了不规则模糊景物的动态性和随机性。为了模拟粒子的生长和死亡的过程，每个粒子均有一定的生命周期，使其经历出生、成长、衰老和死亡的过程。 国内外利用粒子系统对很多自然景物的模拟都进行了尝试。已经能较好地模拟树枝、流云、焰火、浪花、烟、薄雾等三维复杂的自然景物。对于雨和雪的模拟也有相关报道。但是其模拟的结果只能用于一般的动画场景，距离现实世界实时的要求还有一定的距离，不是真正意义上的实时模拟。 粒子系统有很多优点，但是计算量大是其最大的缺点，因而与实时的要求有很大矛盾。本论文要研究的是飞行模拟器的实时视景仿真，地面目标较多，飞机速度较快，要求图像的生成和调用要实时，这样不加特殊气象时本身系统的计算负荷就较大；再在此基础上加特殊气象效果，简单地使用已有粒子理论是肯定无法达到实时要求的。如何解决这一矛盾呢？如何能使逼真度和实时性达到良好协调是本论文探讨的关键。 解决的方法就是以粒子理论为宏观基础，结合系统环境的特点，大胆设计和创新粒子的静态和动态属性。本论文采用全新的数学模型——视景仿真模型及风场模型，进而建立了雪和雨的仿真模型。模型的建立充分考虑了粒子系统理论、空气动力学、环境与气象学、视觉心理学及飞行仿真的实际需要，在满足视觉逼真度的前提下，尽可能地合理简化模型，实现良好实时性；在满足实时性的前提下，也尽可能地细化粒子的各种属性，实现满意的视觉逼真度。从而实现了飞行模拟器视景中特殊气象——雨和雪的实时仿真。 本论文主要做了以下几个方面的工作： 为减少系统开销，对实时飞行视景仿真数学模型进行了部分简化。将数学模型进行了分解，对数学模型中的不同部分使用了不同的精度计算，节省了机时，又能保证精度。 在粒子理论的基础上总结了粒子属性通用表达式，给出了本论文粒子系统的通用数据结构。 WP=117 提出了把雪粒子的运动等同于空气运动的观点，进而将雪的运动模型转化为了空气的运动模型，从而得出雪的运动模型的建立即为风场模型的建立和求解。利用空气动力学理论及计算流体力学相关方法，充分考虑了系统环境要求及气象学的理论，建立了风场模型并进行了简化计算。 系统地提出了基于粒子理论模拟雪的方法、属性设置和步骤。粒子的使用上提出了最大限度地提高粒子的视觉利用率的观点，结合视觉原理及视觉感知心理学的理论，给出了矩形粒子分布域的设想。成功地模拟了雪的下落过程。 在模拟雪的经验基础上，结合自然现象中下雨的特点，给出雨滴的粒子属性，提出了运动控制模型为风场与重力场的综合效应，提出了四分之一球面分布区域的方法，另外在渲染的时候，简化了透明度的算法，提高了速度。最后模拟了下雨的特殊气象。 通过具体实验，寻找出了雪和雨的最佳粒子数和粒子形态。 最后提出了关于积雪问题的粒子理论解决的设想：对风的模型应用给出了全景使用的想法；设想了一种提高视觉效果的新方法——层次运动LOM法；大胆地设想了粒子系统理论的扩展，在有生命粒子的前提下，提出一个反粒子系统的观点，设想完全可以改粒子系统一贯的粒子数量众多，粒子形态较小的方法，将粒子可以设计成大而量少的方式，设想了应用领域；另外还提出了数据库智能化的设想等。 ?