Система частиц - Particle system

Эта статья о 3D компьютерной графике. Для разработчика компьютерных игр см. Системы частиц.
Система частиц, используемая для имитации огня, созданная в 3dengfx.
Для этого случая система частиц, используемая для моделирования галактики, созданная в 3dengfx.
Система частиц, имитирующая взрыв бомбы, созданная в частица.

А система частиц это техника в физика игры, графики движения, и компьютерная графика это занимает много минут спрайты, 3D модели, или другие графические объекты для имитации определенных видов "нечетких" явлений, которые в противном случае очень трудно воспроизвести с помощью обычных методов визуализации - обычно хаотичный системы, природные явления или процессы, вызванные химическими реакциями.

Представлен в фильме 1982 года Звездный путь II: Гнев Хана для вымышленного "Эффекта Бытия",[1] другие примеры включают воспроизведение феноменов Огонь, взрывы, курить, движущийся воды (например, водопад ), искры, падающие листья, Скала падает облака, туман, снег, пыль, метеор хвосты звезды и галактики или абстрактные визуальные эффекты, такие как светящиеся следы, магия заклинания и т. д. - они используют частицы, которые быстро исчезают, а затем повторно испускаются из источника эффекта. Другой прием можно использовать для вещей, которые содержат много пряди - такие как мех, волосы, и трава - включая визуализацию всего времени жизни частицы за один раз, которую затем можно нарисовать и обработать как отдельную цепочку рассматриваемого материала.

Системы частиц могут быть двумерный или трехмерный.

Типовая реализация

Динамическое моделирование частиц воздуха (Bifröst)

Обычно положение и движение системы частиц в трехмерном пространстве контролируется тем, что называется излучатель. Эмиттер действует как источник частиц, и его положение в трехмерном пространстве определяет, где они генерируются и куда движутся. В качестве излучателя можно использовать обычный объект трехмерной сетки, например куб или плоскость. Эмитент привязал к нему набор параметров поведения частицы. Эти параметры могут включать скорость нереста (сколько частиц генерируется за единицу времени), вектор начальной скорости частиц (направление, в котором они испускаются при создании), время жизни частицы (время, в течение которого каждая отдельная частица существует до исчезновения), цвет частиц и многое другое. Обычно все или большинство этих параметров являются "нечеткими" - вместо точного числового значения художник указывает центральное значение и допустимую степень случайности по обе стороны от центра (т.е. среднее время жизни частицы может быть 50. кадры ± 20%). При использовании сетчатого объекта в качестве эмиттера вектор начальной скорости часто устанавливается равным нормальный на отдельные грани объекта, создавая впечатление, что частицы "распыляются" прямо с каждой грани, но это необязательно.

Цикл обновления типичной системы частиц (который выполняется для каждого кадра анимации) можно разделить на два отдельных этапа: обновление / моделирование параметров сцена и рендеринг сцена.

Стадия моделирования

В течение симуляция На этапе, количество новых частиц, которые должны быть созданы, рассчитывается на основе частоты появления и интервала между обновлениями, и каждая из них создается в определенной позиции в трехмерном пространстве на основе положения эмиттера и указанной области нереста. Каждый из параметров частицы (то есть скорость, цвет и т. Д.) Инициализируется в соответствии с параметрами эмиттера. При каждом обновлении все существующие частицы проверяются, чтобы увидеть, не превысили ли они свое время жизни, и в этом случае они удаляются из моделирования. В противном случае положение частиц и другие характеристики улучшаются на основе физического моделирования, которое может быть таким простым, как Идет перевод их текущее положение, или такие сложные, как выполнение физически точных расчетов траектории с учетом внешних сил (гравитация, трение, ветер и т. д.). Обычно выполняют обнаружение столкновения между частицами и указанными 3D-объектами в сцене, чтобы частицы отскакивали от препятствий в окружающей среде или иным образом взаимодействовали с ними. Столкновения между частицами используются редко, поскольку они требуют больших вычислительных ресурсов и визуально не актуальны для большинства симуляций.

Стадия рендеринга

После завершения обновления каждая частица визуализируется, обычно в виде текстурированный выставлен на продажу четырехъядерный (т.е. четырехугольник, который всегда обращен к зрителю). Однако для игр в этом иногда нет необходимости; частица может быть визуализирована как один пиксель в средах с малым разрешением / ограниченной вычислительной мощностью. И наоборот, частицы анимированной графики, как правило, представляют собой полные, но мелкомасштабные и простые для рендеринга трехмерные модели, чтобы гарантировать точность даже при высоком разрешении. Частицы можно визуализировать как Metaballs в автономном рендеринге; изоповерхности вычисленные из частиц-метаболитов, делают жидкости весьма убедительными. Наконец, трехмерные сетчатые объекты могут «заменять» частицы - снежная буря может состоять из одной трехмерной трехмерной снежинки, которая дублируется и вращается, чтобы соответствовать положениям тысяч или миллионов частиц.

«Снежинки» против «Волос»

Системы частиц могут быть либо анимированный или статический; то есть время жизни каждой частицы может быть распределено по времени или визуализировано сразу. Последствия этого различия аналогичны разнице между снежинками и волосами - анимированные частицы похожи на снежинки, которые перемещаются как отдельные точки в космосе, а статические частицы похожи на волосы, которые состоят из определенного количества кривые.

Сам термин "система частиц" часто вызывает в памяти только анимированный аспект, который обычно используется для моделирования движущихся частиц - искр, дождя, огня и т. д. В этих реализациях каждый кадр анимации содержит каждую частицу в определенной позиции в ее жизненном цикле, и каждая частица занимает позицию одной точки в Космос. Для рассеивающихся эффектов, таких как огонь или дым, каждой частице дается исчезать время или фиксированное время жизни; такие эффекты, как метель или дождь, вместо этого обычно прекращают время жизни частицы, как только она выходит из определенного поле зрения.

Однако, если рендерить весь жизненный цикл каждой частицы одновременно, результат будет статический частицы - нити материала, которые показывают общую траекторию частиц, а не точечные частицы. Эти пряди можно использовать для имитации волос, меха, травы и подобных материалов. Нити могут управляться теми же векторами скорости, силовыми полями, темпами нереста и параметрами отклонения, которым подчиняются анимированные частицы. Кроме того, визуализированную толщину прядей можно контролировать и в некоторых вариантах реализации можно изменять по длине пряди. Различные комбинации параметров могут придавать жесткость, мягкость, тяжесть, щетину или любое количество других свойств. Пряди могут также использовать наложение текстуры для изменения цвета, длины или других свойств прядей по поверхности эмиттера.

Куб, испускающий 5000 анимированных частиц, подчиняющихся "гравитационной" силе в отрицательном направлении оси Y.
Тот же кубический эмиттер, визуализированный с использованием статических частиц или нитей.

Инструменты системы частиц, удобные для разработчиков

Код систем частиц, который может быть включен в игровые движки, системы создания цифрового контента и приложения эффектов, может быть написан с нуля или загружен. Havok предоставляет несколько API-интерфейсов системы частиц. Их Havok FX API специализируется на эффектах системы частиц. Ageia - теперь дочерняя компания Nvidia - предоставляет систему частиц и другой API игровой физики, который используется во многих играх, в том числе Игры Unreal Engine 3. И то и другое GameMaker Studio и Единство обеспечивают двумерную систему частиц, часто используемую инди, разработчики игр для любителей или студентов, но не могут быть импортированы в другие движки. Также существует множество других решений, и системы частиц часто пишутся с нуля, если требуются нестандартные эффекты или поведение.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Ривз, Уильям (1983). «Системы частиц - метод моделирования класса нечетких объектов» (PDF). Транзакции ACM на графике. 2 (2): 91–108. CiteSeerX  10.1.1.517.4835. Дои:10.1145/357318.357320. Получено 2018-06-13.

внешние ссылки