三维粒子系统在AS2中的实现

• 三维粒子系统在AS2中的实现   

  Emil Matthew(EmilMatthew@126.com)

  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

  The implement of 3D Particle System in AS2

                        Emil Matthew(EmilMatthew@126.com)

  Abstract: 

         In this article, with as2 in the flash dev platform, by implementing the project transformation with 3d particle system , I realize a basic particle 3d particle system . Also , with the implementing of some curve and move method , I realize the parabola motion effect , Fermat spiral upward moving effect and the hurricane simulation effect . These effects express some extend of aesthetic feeling in the level of digital art.

  Key Words: Particle System, 3D, Digital Art

        

  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();

                                     }

                       }

  

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