一種基于混合模型的真實(shí)感尾焰實(shí)時動畫方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于混合模型的真實(shí)感尾焰實(shí) 時動畫方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 關(guān)于空軍戰(zhàn)斗機(jī)尾焰的模擬，國內(nèi)外的相關(guān)研宄機(jī)構(gòu)已經(jīng)做了大量的研宄。其中 主要是使用粒子系統(tǒng)進(jìn)行模擬。通過計算粒子在高速噴射下的運(yùn)動軌跡來實(shí)現(xiàn)尾焰的真實(shí) 感。但是在實(shí)際應(yīng)用中，粒子數(shù)量過少會導(dǎo)致尾焰不連續(xù)，這樣會降低真實(shí)感。而粒子數(shù)量 過多又會加重運(yùn)算開銷，影響實(shí)時效果。戰(zhàn)斗機(jī)在空戰(zhàn)場景中運(yùn)動時，由于高速噴射，尾焰 的輪廓相對于普通的火焰來說更加規(guī)則。因此有人使用面片來代替粒子，實(shí)現(xiàn)尾焰的模擬。 這種方法的好處在于節(jié)省了運(yùn)算開銷，弊端在于降低了火焰噴射的動態(tài)效果。
[0003] 因此，很多人嘗試將以上兩種方法結(jié)合起來。用面片來模擬尾焰頭部高速噴射多 產(chǎn)生的均勻輪廓，用粒子系統(tǒng)模擬尾部的動態(tài)效果。這也是當(dāng)下很多機(jī)構(gòu)所傾向于采用的 方法。但是從實(shí)現(xiàn)效果來說，由于面片到粒子的過度處理的太過粗糙，依舊無法滿足較高真 實(shí)感的需求。
[0004] 嚴(yán)濤等人在《飛行模擬系統(tǒng)中導(dǎo)彈尾焰的實(shí)時生成》中就采用了面片的繪制方式 來節(jié)省運(yùn)算開銷。使用正弦函數(shù)擬合尾焰輪廓，并且根據(jù)尾焰在不同部位的顏色設(shè)定了一 個顏色分布函數(shù)并引入隨機(jī)量對顏色進(jìn)行擾動，以實(shí)現(xiàn)動態(tài)效果。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)算 速度快，實(shí)時性好，而且通過隨機(jī)變量控制尾焰的顏色分布使得火焰的顏色漸變更加逼真。 但其缺點(diǎn)在于沒有考慮燃料不完全燃燒所產(chǎn)生的尾煙效果。
[0005] 朱宏瑋等人的《導(dǎo)彈尾焰的可視化仿真研宄與實(shí)現(xiàn)》在嚴(yán)濤的基礎(chǔ)上引入了粒子 系統(tǒng)，在噴射口構(gòu)建了一個粒子發(fā)射盤，通過粒子系統(tǒng)來模擬尾焰不完全燃燒的尾煙效果。 該方法在真實(shí)感上有所提升，但是對于尾焰顏色的處理和面片到粒子的過度處理比較粗 糙。
[0006] 嚴(yán)濤和朱宏瑋所使用的正弦函數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的正弦函數(shù)，函數(shù)的參數(shù)與尾焰的幾何參 數(shù)沒有明顯的對照關(guān)系，這也造成了使用的不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于上述不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種真實(shí)感和實(shí)時性都大大提升的基 于混合模型的真實(shí)感尾焰實(shí)時動畫方法。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0009] 一種基于混合模型的真實(shí)感尾焰實(shí)時動畫方法包括以下步驟：
[0010] (1)用面片模擬尾焰的主要輪廓；
[0011] ⑵在尾焰的軸向上引入隨機(jī)變量，采用非均勻著色；
[0012] (3)在尾焰的徑向上引入隨機(jī)變量，模擬流體效果；
[0013] (4)在尾焰尾部添加噴射粒子實(shí)現(xiàn)動態(tài)效果；
[0014] (5)最終完成真實(shí)感尾焰效果的實(shí)時繪制。
[0015] 所述步驟（1)中用面片模擬尾焰的主要輪廓方法為：
[0016] 尾焰輪廓的模擬：戰(zhàn)斗機(jī)尾焰輪廓的側(cè)剖面曲線用三角曲線來擬合，此處選用標(biāo) 準(zhǔn)的正弦函數(shù)：
[0017] y = A sin(wx+ 0 )
[0018] 其中A是決定了正弦曲線的波峰和波谷，即y取值的最大值，W是正弦曲線的頻率， 而Q是正弦函數(shù)的初相，它決定了當(dāng)x = 0時，y的取值；
[0019] 而后，確定正弦函數(shù)的相關(guān)未知參數(shù)，依據(jù)輪廓曲線幾何尺寸與正弦函數(shù)未知參 數(shù)間的關(guān)系：正弦曲線在橫軸方向一個周期的跨度為尾焰噴射最長距離，正弦曲線的初相 就是噴射口的位置，而初相所取的結(jié)果就是噴射半徑，正弦曲線的波峰就是尾焰輪廓的最 大半徑；假設(shè)尾焰的最大半徑為，噴射半徑為，噴射距離為L;則有：
【主權(quán)項】
1. 一種基于混合模型的真實(shí)感尾焰實(shí)時動畫方法，其特征在于：該方法包括以下步 驟： (1) 用面片模擬尾焰的主要輪廓； (2) 在尾焰的軸向上引入隨機(jī)變量，采用非均勻著色； (3) 在尾焰的徑向上引入隨機(jī)變量，模擬流體效果； (4) 在尾焰尾部添加噴射粒子實(shí)現(xiàn)動態(tài)效果； (5) 最終完成真實(shí)感尾焰效果的實(shí)時繪制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合模型的真實(shí)感尾焰實(shí)時動畫方法，其特征在于：所 述步驟（1)中用面片模擬尾焰的主要輪廓方法為： 尾焰輪廓的模擬：戰(zhàn)斗機(jī)尾焰輪廓的側(cè)剖面曲線用三角曲線來擬合，此處選用標(biāo)準(zhǔn)的 正弦函數(shù)： y = A sin (wx+ 0 ) 其中A是決定了正弦曲線的波峰和波谷，即y取值的最大值，W是正弦曲線的頻率，而 9是正弦函數(shù)的初相，它決定了當(dāng)x= 0時，y的取值； 而后，確定正弦函數(shù)的相關(guān)未知參數(shù)，依據(jù)輪廓曲線幾何尺寸與正弦函數(shù)未知參數(shù)間 的關(guān)系：正弦曲線在橫軸方向一個周期的跨度為尾焰噴射最長距離，正弦曲線的初相就是 噴射口的位置，而初相所取的結(jié)果就是噴射半徑，正弦曲線的波峰就是尾焰輪廓的最大半 徑；假設(shè)尾焰的最大半徑為R_，噴射半徑為ROTi，噴射距離為L;則有： A=Rmax
所以，當(dāng)給定尾焰的噴射半徑時，正弦函數(shù)的系數(shù)也相應(yīng)地確定下來； 將輪廓軸向劃分為m份，徑向劃分為n份，面片的頂點(diǎn)由如下公式計算：
得到了輪廓面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合模型的真實(shí)感尾焰實(shí)時動畫方法，其特征在于：所 述步驟（2)中在尾焰的軸向上引入隨機(jī)變量，采用非均勻著色方法為： 概率分布如下：
噴口處X= 0，L是噴射距離； 在實(shí)現(xiàn)過程中，每當(dāng)給定一個100以內(nèi)的高斯隨機(jī)數(shù)random，再讓random/100得到random出現(xiàn)的概率，如果小于0. 2該段面片帶的著色范圍就是（0, 0. 3L);如果大于0. 2小 于0. 5該段面片帶的著色范圍就在（0. 3L，0. 6L);其他的全部落在（0. 6L，1. 0L)范圍內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合模型的真實(shí)感尾焰實(shí)時動畫方法，其特征在于：所 述步驟（3)中在尾焰的徑向上引入隨機(jī)變量，模擬流體效果方法為： 利用random/100作為隨機(jī)值，最終的著色范圍如下，其中L是噴射距離，i是徑向變 量：
著色帶的具體范圍確定時候就采用線性漸變，令顏色從噴口處開始逐漸將透明度由 1.0逐漸降為0 ;公式如下：
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合模型的真實(shí)感尾焰實(shí)時動畫方法，其特征在于：所 述步驟（4)中在尾焰尾部添加噴射粒子實(shí)現(xiàn)動態(tài)效果方法為： 確定尾煙粒子產(chǎn)生的位置： 為了實(shí)現(xiàn)面片和粒子的自然過渡，每個尾煙粒子產(chǎn)生的位置放置在每條著色帶的尾 端； 確定尾煙粒子的運(yùn)動方向： xr = 1
(X'，y'，Z)即為尾煙粒子的運(yùn)動方向； 尾煙粒子從產(chǎn)生到消失所經(jīng)歷的時間： 生命周期由產(chǎn)生位置的X來確定，公式如下，其中Time表示最長的生命周期，time表 示最短的生命周期：
粒子系統(tǒng)使用billboard來繪制，由于隨著溫度的降低，尾煙的顏色會隨著時間變化； 因此從粒子產(chǎn)生到最終消失，顏色應(yīng)當(dāng)由初始位置的著色片的顏色逐漸變?yōu)楹谏还饺? 下所示，其中RGB表示初始顏色向量，t表示粒子的生成時間，1ifeTime粒子的表示生命周 期；
最終完成了真實(shí)感尾焰效果的實(shí)時繪制。
【專利摘要】基于混合模型的真實(shí)感尾焰實(shí)時動畫方法，該方法包括以下步驟：（1）用面片模擬尾焰的主要輪廓；（2）在尾焰的軸向上引入隨機(jī)變量，采用非均勻著色；（3）在尾焰的徑向上引入隨機(jī)變量，模擬流體效果；（4）在尾焰尾部添加噴射粒子實(shí)現(xiàn)動態(tài)效果；（5）最終完成真實(shí)感尾焰效果的實(shí)時繪制。本發(fā)明首先在構(gòu)建正弦擬合函數(shù)時使用尾焰的幾何參數(shù)作為運(yùn)算系數(shù)，提高了接口使用的便利性。為了解決從面片到粒子的過度，在面片上引入軸向隨機(jī)變量，采用非均勻著色，實(shí)現(xiàn)尾焰尾部的動態(tài)效果。同時在整體面片的著色上也采用徑向隨機(jī)變量，增加尾焰表面的流體效果。通過比對，本文所采取的方法所繪制的尾焰無論從真實(shí)感和實(shí)時性都取得了較為滿意的表現(xiàn)。
【IPC分類】G06T13-00
【公開號】CN104574471
【申請?zhí)枴緾N201410853073
【發(fā)明人】周川, 陳雷霆, 邱航, 蔡洪斌, 盧光輝, 曹躍
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月31日