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三维粒子系统在AS2中的实现

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文章来源: 闪吧
原文作者: EmilMatthew
整理日期: 2006-05-09
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　　摘要:
       本文通过粒子系统及三维粒子透视投影变换，运用Flash AS2及其开发环境，实现了基本的三维粒子系统。并结合相关的曲线及运动方式，实现了抛体运动，Fermat 螺线上升运动以及龙卷风效果。表现了一定的数字艺术层的美感。

关键词: 粒子系统，三维，数字艺术

1前言:
       三维粒子系统是一类令人感到激动又十分有趣的动画程序。它的实现方式主要需要用基于粒子系统构建的图形学，动力学以及数字艺术等多方面的知识。[1]介绍了基本的三维视图通过透视投影变换到二维场景的方式。[2]介绍了一个基本的粒子系统的实现。在这两篇文章的基础上，再结合比较简单的运动学方面的知识，在本文中实现了基本的三维粒子系统，并实现了抛体运动，Fermat 螺线上升运动以及龙卷风效果。这些作品表现了一定的数字艺术层的美感。
       另外，开发选用的是基于AS2语言的Flash开发平台，这种开发模式具有以下优点:
1)      Flash 播放器具有极高的普及率，而且swf文件格式是跨平台的。
2)      Flash 的失量图形处理模式极强，适合网络传播图像，动画及各类互动效果。
3)      Flash 平台下的交互动画开发方便，采用了AS2语言可以面向对象的模式来组织程序结构。交互效果可以实现的非常到位。可以说，是一种面像图形开发的脚本语言。（正如Matlab可以说是面向科学工程计算的脚本语言一样。）

当然，这种模式也是有缺点的，比如Flash播放器在处理一些较大运算时的效果不是很
理想。
由于这个程序重点在实现相应的图形效果上，主要是测试之用，所以采用Flash 的 AS2
来进行是非常合适的。

2程序总体思路及关键部分:
2.1粒子系统的框架:
[2]中已有叙述，这里简要回顾之:

       Initialization


while(runFlag)
       {
                     For all particles
                     {
                            If(current particle is not lived)
                            {
                                          Init this particle.
}
                            Else if(current particle is out of the showing area)
                            {
                                   Current particle set to dead.
}
}
}

2.2三维粒子在二维场景的透视成像:
       [1]中已有详述，这里简要回顾之:
       对于一个在三维场景中的点p(x ,y ,z)
       其在距离原点距离为d处的位于z轴正半轴上的点(0,0,d)而言，其对应到二维投影面的点p’ (x’,y’)有如下计算公式:

x’=x/(-z/d+1)
y’=y/(-z/d+1)

                                                                         图1

       2.3.1抛体运动模式关键:
       抛体运动在这里的右手坐标系（图1）中，是指以y为竖直运方向作上抛运动，x , z方向以固定速度运动的方式。我们在公园里看到的许多喷泉就是这样的例子。
       由于初始化后所有粒子统一生成，所以要看到类似喷泉的效果，需要待几个粒子生成周期之后，生成粒子与死亡粒子可以持续交替时，便会呈现出不错的效果。图2展示了300粒子在程序运行过几个粒子生成周期后的效果。
       相应初始程序、参数及运动函数如下:

       //data set
tmp=Math.random();                                        _root.particleArr[i].initV_A((2+random(3))*Math.cos(2*Math.PI*tmp),15+random(10),(2+random(3))*Math.sin(2*Math.PI*tmp),0,-0.5+0.15*Math.random(),0);
         _root.particleArr[i].initPos(gX0-10+random(20),gY0-50+random(150),gZ0-10+random(20));

       //motion effect mode
       for(var i:Number=0;i<_root.gParticleNum;i++)
                     {
                                   if(_root.particleArr[i].isLived())
                                   {
                                          _root.particleArr[i].moveCal();
                                          _root.particleArr[i].moveShow();
                                   }
                     }

图2

       2.3.2Fermat 螺线上升运动:
       Fermat螺线的极坐标表达为:
                            ρ=a*θ ^(1/2)
       这里要做的，就是将θ角在某粒子与xz平面垂直的截平面上对应的Fermat螺线极坐标转换成x及z坐标值。再进行相应的更新即可。与前一种不同的是，这里只有y轴方向需要用到vy，而x,z轴的位置则由于采用了坐标控制模式，所以不需要使用vx,vz。为了整体程序设计上的统一，可将vx,vz设定为0。
       与上一个抛物线型运动不同，这里的Fermat螺线运动如果新生粒子与死亡粒子构成了持续生成关系时，将使画面较为混乱。因此，需要将粒子的初始y值及vy,ay设定的靠近些。
       可以看到，团状的粒子簇旋转上升后又扩散下降，无序之中体现着一丝韵律，我将这样的效果命名为“银河落九天”，不知诸位为以为如何？(参图3)

     //data set
tmp=Math.random();
       _root.particleArr[i].initV_A(0,18+random(2),0,0,-0.5+0.1*Math.random(),0);

       _root.particleArr[i].initRotateEle(0,0,2*Math.PI*i/_root.gParticleNum);
              _root.particleArr[i].initPos(gX0-15+random(30),gY0-5+random(10),gZ0-15+random(30));

       _root.particleArr[i].fermatSpiralA=15+random(10);

       //motion effect mode
       for(var i:Number=0;i<_root.gParticleNum;i++)
                     {
                                   if(_root.particleArr[i].isLived())
                                   {

                                          _root.particleArr[i].accTheta(Math.PI/18);

                                          _root.particleArr[i].moveCalFermatSpiralWithY();
                                          _root.particleArr[i].moveShow();
                                   }
                     }

图3

      2.3.3龙卷风效果:
       龙卷风效果，这里没有采用从坐标原点生成的模式，而是直接摸拟了生成后运动的效果，难度降低了不小。
       可以这样近似看待龙卷风的模拟，每个粒子都以y轴为中心，以不同的运动半径作圆周运动。各粒子的运动半径从下往上递增。
       以上面的设计理念，便可生成一种倒锥型的龙卷风，如图4。显然，在这种模式中，没有粒子会死亡。

//data set
_root.particleArr[i].initV_A((0.5*Math.random())*Math.cos(2*Math.PI*tmp),0,(0.5*Math.random())*Math.sin(2*Math.PI*tmp),0,0,0);
                                                                      _root.particleArr[i].initRotateEle(0,0,2*Math.PI*Math.random());

_root.particleArr[i].initPos(gX0+(i+1)*2-2+random(4),gY0+50-baconHeight/_root.gParticleNum*i-random(50),gZ0+(i+1)*2-2+random(4));

baconHeight=400
//motion effect mode
for(var i:Number=0;i<_root.gParticleNum;i++)
                     {
                                   if(_root.particleArr[i].isLived())
                                   {
                                          _root.particleArr[i].accTheta(Math.PI/18);

                                          _root.particleArr[i].moveWithY();

                                          _root.particleArr[i].moveShow();
                                   }
                     }

图4

如果再对粒子生成加以改进，即位于龙卷风高度的75%以下的部分主要生成一个类似柱状的效果，而对于龙卷风高度的75%以上部分则扩散出去，形成一个更为逼真的效果。（如图5）
1控制生成高度及速度:

if(i<0.7*_root.gParticleNum)
       {
       _root.particleArr[i].initV_A((5*Math.random())*Math.cos(2*Math.PI*tmp),0,(5*Math.random())*Math.sin(2*Math.PI*tmp),0,0,0);
                            _root.particleArr[i].initPos(gX0-50+random(100),gY0+50-baconHeight/_root.gParticleNum*i-random(50),gZ0-50+random(100));
       }
       else
       {            _root.particleArr[i].initV_A((5*Math.random())*Math.cos(2*Math.PI*tmp),0,(5*Math.random())*Math.sin(2*Math.PI*tmp),0,0,0);
       if(random(100)<50)                            _root.particleArr[i].initPos(gX0+100+random(100),gY0+25-baconHeight/_root.gParticleNum*i-random(25),gZ0+100+random(100));
       else                       _root.particleArr[i].initPos(gX0-100-random(100),gY0+25-baconHeight/_root.gParticleNum*i-random(25),gZ0-100-random(100));
       }

2保持上下不同的旋转速度:

       if(i<0.7*_root.particleNum)
              _root.particleArr[i].accTheta(Math.PI/24+0.05*Math.random());
       else
              _root.particleArr[i].accTheta(Math.PI/18+0.1*Math.random());

图5（1000粒）

[1] [2]

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