Diese Arbeit beschreibt die Implementierung einer Software zur Simulation von Partikeln. Dabei wurde auf eine hohe Flexibilität Wert gelegt, die es erlaubt, zahlreiche Szenarien zu kreieren. Sowohl das Partikelsystem als auch die Darstellung sind, wie ein Baukastensystem, kombinierbar, konfigurierbar und erweiterbar. Die Software gibt dem Benutzer nichts vor, sondern fordert seine Kreativität heraus. Sie leistet einen Beitrag zu Forschungsprojekten.
1. Einleitung
In vielen Filmen, Computerspielen und Simulationen stellt sich die Frage, wie man natürliche Systeme wie beispielsweise Feuer oder Rauch darstellen kann. Aufgrund ihrer Komplexität oder ihres chaotischen Verhaltens ist die Umsetzung nicht trivial.
Partikelsysteme sind Verfahren, um möglichst realistisch aussehende Darstellungen zu erzielen. Zum ersten Mal wurden Partikelsysteme von William T. Reeves im Jahr 1982 für den Kinofilm “Star Trek II – The Wrath Of Khan” eingesetzt und 1983 in [Ree1983] beschrieben und 1985 in [Ree1985] ergänzt [Paet2005].
Im Kern basieren Partikelsysteme auf dem Grundsatz, etwas Großes aus einer Menge von kleinen Elementen zu erschaffen. Der Funkenregen beim Schweißen bildet sich aus einer Vielzahl von einzelnen und kurzlebigen Funken. Dabei geht es bei Partikelsystemen nicht um eine physikalisch korrekte Simulation von beispielsweise Explosionen, sondern um den Gesamteindruck [Hel2009].
Anwendungsfälle für Partikelsysteme gibt es viele: beispielsweise Feuer, Rauch, Regen oder Schnee. Doch die meisten konkreten Implementierungen von Partikelsystemen sind für einen spezifischen Einsatz gedacht. Daher haben sie ein eingeschränktes Einsatzfeld. Der Grund dafür ist auf geringe oder fehlende Kombinierbarkeit, Konfigurierbarkeit und Erweiterbarkeit zurückzuführen.
Mit dieser Arbeit soll die Implementierung einer OpenSource Software vorgestellt werden, die zum Experimentieren einlädt und die Kreativität des Benutzers fordert. Sie dient nicht der Erfüllung eines konkreten Anwendungsfalls, sondern erlaubt eine Vielzahl von Möglichkeiten. Es soll gezeigt werden, dass dieses Ziel durch Kombinierbarkeit, Konfigurierbarkeit und Erweiterbarkeit erreicht wurde.
2. Grundlagen
Der Architektur von Partikelsystemen ist maßgeblich für die effiziente Verarbeitung. Philipp Pätzold beschreibt in Entwicklung eines Partikelsystems auf Basis moderner 3D-Grafikhardware [Paet2005] eine grundlegende Architektur eines Partikelsystems. Diese umfasst ein Partikelsystem, die eine Menge von Emittern enthält, welche eine Menge von Partikel emittieren. Er beschreibt weiterhin, dass die Implementierung auf der CPU oder auf der Grafikkarte erfolgen kann. Bei der Implementierung auf der Grafikkarte sei mit erheblichen Leistungssteigerungen zu rechnen.
Nach [Paet2005] besitzt jedes Partikel einen Lebenszyklus, der mit der durch das Emittieren beginnt und nach Ablauf der Lebensspanne endet. Ein zwingendes Attribut eines Partikels ist also seine Lebensdauer. Weitere zwingende Attribute von Partikeln sind Position und Richtungsvektor. In der Regel enthält Partikel eine Berechnungsfunktion, um die neue Position in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen wie Wind und Gravitation zu berechnen. Der Nachteil dieser Methode wird in dieser Arbeit herausgearbeitet.
Nina Damasky beschreibt in [Dam2008] die Implementierung der Visualisierung von verschiedenen Effekten wie Schnee, Feuer und Feuerwerk. Jeder einzelne dieser Effekte erfolgte in einer eigenen Implementierung. Vorteil der Methode ist, dass die Software um weitere Effekte erweitert werden kann, ohne dass die anderen Implementierungen beeinträchtigt werden. Jedoch sind die Effekte nicht kombinierbar. Auch dies soll in dieser Arbeit näher betrachtet werden.
Die Darstellung von Partikeln ist ebenfalls von besonderer Bedeutung. Moderne Grafikkarten ermöglichen mit Billboarding eine Technik, die bei der Darstellung von Partikeln üblich ist. Dabei werden texturierte Flächen immer so gedreht, das die Kamera stets senkrecht darauf schaut. Auch bei einer Änderung der Kameraposition oder des Blickwinkels sieht man die Textur von vorn. Damit entsteht der Eindruck von dreidimensionalen Objekten wie z.B. Kugeln. Alpha Blending ist eine weitere Technik, die für die Darstellung von Partikeln nützlich ist. Beim additiven Alpha-Blending werden die Farbwerte eines Partikels auf den Hintergrund zu einem gewissen Teil, dem Alphawert, aufaddiert. Dieser Effekt lässt sich beispielsweise dazu nutzen, dass eine Menge von sich überlagernden Rauch-Partikeln eine Rauchwolke ergibt.
3. Konzept und Architektur
Kombinierbarkeit, Konfigurierbarkeit und Erweiterbarkeit sind wesentliche Anforderungen an diese Software. In diesem Abschnitt wird beschrieben, wie diese Anforderungen erfüllt werden.
Abbildung 1 zeigt die Architektur der Software. Sie besteht aus zwei Komponenten: einerseits der Partikelsimulation und andererseits der Visualisierungs- und Editierkomponente. Zweck der Komponente Partikelsimulation ist es, Partikel zu erschaffen, zu verändern und zu terminieren. Diese Komponente ist unabhängig von der Visualisierungs- und Editierkomponente. Das bedeutet, die Partikelsimulation ist auch ohne eine Visualisierung nutzbar. Zweck der Visualisierungs- und Editierkomponente ist es, eine 3D Szene darzustellen und Funktionalitäten zum Editieren der Partikelsimulation anzubieten.
3.1 Partikelsimulation
Die Partikelsimulation enthält eine Menge von Partikeln, Faces, Emittern, Features und Modifieren. Partikel sind einzelne Objekte, die in einer Liste effizient verwaltet werden. Sie enthalten einige notwendige Attribute, wie z.B. Position, Richtungsvektor, Anzahl der vergangenen und restlichen Iterationen des Lebenszyklus sowie welcher PartikelRenderer zum Einsatz kommen soll. Faces sind Flächen, die durch mindestens drei Partikel definiert sind. Zusätzlich enthalten Faces die Information, welcher FaceRenderer bei der Visualisierung Anwendung finden soll.
Emitter erzeugen neue Partikel sowie Faces und fügen sie der Partikelsimulation hinzu. Ein einzelnes Partikel enthält aus Gründen der Performance und des Speicherverbrauchs möglichst wenige Attribute. Bei komplexeren Einsatzszenarien ist es jedoch notwendig, dass Partikel zusätzliche Attribute besitzen. Die Flexibilität eines Partikels wird erreicht, indem dem Partikelsystem sogenannte Features hinzugefügt werden können. Ein Feature erweitert das Basispartikel durch ein oder mehrere zusätzliche Attribute. Die Initialisierung der zusätzlichen Attribute wird vom Emitter an alle in der Partikelsimulation instanzierten Features delegiert.
Die Aufgabe von Modifiern ist es, die Attribute jedes Partikel pro Simulationsiterationsschritt zu verändern. Beispielsweise können Modifier den Bewegungsrichtungsvektor eines Partikels ändern. Auf konkrete Implementierungen von Modifiern wird im Abschnitt Realisierung eingegangen.
3.2 Visualisierung
Die Visualisierungs- und Editierkomponente besteht aus einer Menge von Renderern, Editoren, Partikel-Renderern und Face-Renderern. Die Aufgabe eines Renderers ist es, ein bestimmtes Element der Partikelsimulation zu visualisieren. So kann eine konkrete Implementierung eines Renderers eine konkrete Implementierung eines Emitters oder Modifiers in der 3D-Szene sichtbar machen. Beispielsweise rendert ein GravityPointRenderer einen GravityPoint-Modifier in der 3D-Szene. Konkrete Implementierungen von Renderern werden im Abschnitt Realisierung vorgestellt.
Editoren dienen dem Bearbeiten von Attributen von Elementen der Partikelsimulation. Eine konkrete Implementierung eines Editors ermöglicht es dem Anwender die Attribute einer konkreten Implementierung eines Emitters oder Modifiers zu ändern. Zum Beispiel stellt der Gravity-PointEditor einen Editor für jede Instanz eines GravityPointModifier zur Verfügung.
Nur dadurch, dass Renderer für Modifier und Emitter in der 3D-Szene dargestellt werden, ist es möglich diese per 3D-Picking auszuwählen und somit den Editor für den ausgewählten Modifier oder Emitter zu aktivieren.
Die Aufgabe von Partikel- und FaceRenderer ist es, ein Partikel bzw. ein Face in der 3D-Szene darzustellen. Jedem Partikel wird bei seiner Erzeugung durch einen Emitter die Information zugewiesen, welcher PartikelRenderer zum Einsatz kommen soll. Gleiches gilt analog für Faces und FaceRenderer.
Die konkreten Implementierungen eines PartikelRenderers stellen die einzelnen Partikel unterschiedlich dar. Beispielsweise als einfache Punktprimitive, als Dreieck oder als Tetraeder. Aber auch komplexere Darstellungsverfahren sind möglich: z.B. Ringe oder Röhren.
FaceRenderer visualisieren – ähnlich wie PartikelRenderer – Faces. Jede Face enthält eine Menge von mindestens drei Partikeln, die die Eckpunkte der Fläche definieren. Konkrete Implementierungen von FaceRenderern können die Flächen unterschiedlich darstellen. Beispielsweise als eingefärbtes Polygon oder als texturiertes Polygon.
3.3 Zwischenfazit
Wie eingangs erwähnt, soll die Software erweiterbar sein und dem Anwender umfangreiche Kombinations- und Konfigurationsmöglichkeiten bieten. Kann diese Software diese Anforderungen erfüllen? Erstens ist die Software erweiterbar, indem neue Emitter, Modifier, Features, Renderer, Editoren, PartikelRenderer oder FaceRenderer implementiert werden. Zweitens kann der Anwender beliebig viele Emitter, Modifier und Features einer konkreten Partikelsimulation hinzufügen und durch Editoren konfigurieren – damit ist die Kombinierbarkeit und Konfigurierbarkeit gewährleistet. Schließlich ist die Visualisierung einer konkreten Szenerie durch Renderer, PartikelRenderer und FaceRenderer sehr flexibel.
4. Realisierung
In Abschnitt 3 wurde bereits die Architektur der Software beschrieben. Dieser Abschnitt soll die konkrete Implementierung und den Funktionsumfang der Software erläutern.
4.1 Eingesetzte Technologien
Die in Java geschriebene Software nutzt OpenGL zur Visualisierung. Für Java existiert eine performante und leichtgewichtige Open-Source-Bibliothek, die das OpenGL Application Programming Interface für Java zur Verfügung stellt. Des Weiteren bietet Slick2D Funktionalitäten zum Darstellen von Text per OpenGL zur Verfügung. Als Werkzeug zum Bauen und zur Abhängigkeitsverwaltung von eingesetzten Bibliotheken wurde das in der Java-Welt verbreitete Maven genutzt.
4.2 Partikel und Features
Partikel sind inhaltlich das wichtigste Element einer Partikelsimulation. Jedoch sind bei der Implementierung einige wichtige Voraussetzungen zu erfüllen. Zunächst muss davon ausgegangen werden, dass eine hohe Anzahl von Partikeln erzeugt werden soll. Je mehr Partikel es gibt, desto mehr Speicherplatz wird benötigt. Daher ist bei der Datenstruktur von Partikeln darauf zu achten, dass keine unnötigen Informationen gespeichert werden. Des Weiteren sollen die Partikel als reine Datencontainer implementiert werden, die keinerlei Fachlogik enthalten. Dies ist aus mehreren Gründen sinnvoll. Einerseits führt die Trennung von Daten und Fachlogik zu einer höheren Wartbarkeit der Software. Andererseits benötigen Objektinstanzen von reinen Datenklassen weniger Arbeitsspeicher als Instanzen von Klassen mit Methoden. Eine weitere Anforderung ist die gewünschte Flexibilität der Software, die insbesondere bei der Implementierung von Partikeln zu berücksichtigen ist. Die Erweiterbarkeit und Austauschbarkeit von einer konkreten Implementierung einer Partikelklasse wurde ermöglicht, indem ein Interface Particle definiert wurde. In der gesamten Anwendung wird auf das Interface referenziert. Somit ist es ein leichtes, eine alternative Implementierung einer Partikelklasse zu nutzen. Die Standardimplementierung erbt von HashMap erlaubt daher, neben festen Attributen wie Position und Richtungsvektor, dynamische Attribute hinzufügen. Diese Flexibilität erlaubt es, Partikel durch Features zu erweitern, wie es bereits in Abschnitt 3.1 beschrieben wurde. Nachfolgend werden einige implementierte Features vorgestellt.
Mit dem Feature ParticleColor können die Partikel um die Informationen für Farben erweitert werden. Dazu werden in einem Partikel die Farbwerte für Rot, Grün und Blau für Start- und Endposition hinterlegt. Ein weiteres Feature ist ParticleSize, das die Partikel um die Start- und Endgröße erweitert. Durch das Hinzufügen des Features InitialVelocityScatter bewirkt man, dass die Richtungsvektoren der emittierten Partikel eine Streuung erfahren. Wie sich die Streuung auswirkt, kann jeweils für die x-, y- und z-Richtung konfiguriert werden. Ein weiteres Feature ist Mass-Spring, welches die Partikelsimulation um Federn zwischen Partikeln erweitert. Die Federn werden in einer Liste in jedem Partikel verwaltet. Schließlich kann durch das Feature PositionPath die Simulation dahingehend erweitert werden, dass in jedem Partikel die letzten Positionen eines Partikels gespeichert werden können. Dies eignet sich beispielsweise, um für ein Partikel einen Schweif oder eine Röhre entlang seiner vergangenen Positionen zu zeichnen. Features erlauben eine Erweiterung der Datenstruktur der Partikel und sie können genutzt werden um beim Emittieren Attribute des Partikels zu setzen oder zu beeinflussen. Jedoch haben sie keine modifizierende Wirkung während der Lebenszeit des Partikels. Daher ist es für die meisten Anwendungsfälle notwendig, Modifier zu implementieren, die Partikelattribute während der Lebenszeit zu verändern. Mehr dazu in Kapitel 4.4.
4.3 Emitter
In der Anwendung wurden mehrere Emitter implementiert. Der PointEmitter erzeugt an einer bestimmten Position neue Partikel. Bei diesem Vorgang wird ein neues Partikelobjekt erzeugt und ihm die Position des Emitters zugewiesen. Zusätzlich werden anhand der Konfiguration des Emitters der Richtungsvektor und die Anzahl der verbleibenden Lebenszyklusiterationen gesetzt.
Eine weitere Implementierung ist der PlaneEmitter, der die initiale Position des erzeugten Partikels auf eine zufällige Position einer konfigurierten Fläche setzt. Ein SphereEmitter unterscheidet sich zu einem PointEmitter dadurch, dass der Richtungsvektor zufällig ist. Das bedeutet das Partikel in alle Richtungen ausgestoßen werden.
Während die bereits erwähnten Emitter relativ einfach sind, lässt sich die Komplexität von Emittern weiter steigern. Der Tetrahedron-Emitter erzeugt Tetraeder, die aus vier Partikeln bestehen, die jeweils durch Federn miteinander verbunden sind. Zusätzlich werden vier Faces erzeugt, die die Außenhaut des Tetraeders bilden. Der ClothEmitter erzeugt ein Netz von Partikeln, die jeweils mit Federn verbunden sind. Dadurch lässt sich Stoff simulieren. Ein weiterer Emitter ist der SoftBodyEmitter. Dieser lädt ein 3D-Modell aus einer Datei und erzeugt pro Vertices des 3D-Modells ein Partikel. Zusätzlich werden die Faces des 3D-Modells ausgelesen und die erzeugten Partikel zu Faces der Partikelsimulation verbunden. Die Partikel eines Faces werden weiterhin mit Federn verbunden, um dem 3D-Modell eine Stabiltät zu verleihen. Außerdem werden Ankerpunkte an der initialen Position eines Partikels erzeugt und mit einer starken Feder mit dem Partikel verbunden um ihn an seiner ursprünglichen Position zu halten. Es ist zu sehen, dass Emittern einfach oder komplex sein können. Für Stoff oder wacklige Objekte wurden komplexere Emitter implementiert. Doch Emitter alleine, selbst wenn sie komplex sind, bewirken noch kein dynamisches System. Die Dynamik der Partikelsimulation wird erst durch die Modifikation der Partikel während ihrer Laufzeit erreicht.
4.4 Modifier
Diese Aufgabe obliegt Modifiern. Die Attribute von Partikeln werden ausschließlich durch Modifier verändert. Das bedeutet, dass in einer Partikelsimulation ohne Modifier sich der Zustand von Partikeln nicht ändert. Für diese Software wurde daher eine Reihe von Modifiern implementiert. Der wichtigste Modifier ist die Klasse VelocityTransformation. Er ändert die Position des Partikels, indem auf die bisherige Position der Richtungsvektor aufaddiert wird:
Formel 1: Velocity Transformation
Der Modifier VelocityTransformation ist der einzige Modifier, der die Position des Partikels ändert. Die weiteren verändern in der Regel den Richtungsvektor des Partikels. Dies ist auch beim Modifier VelocityDamper der Fall. Dabei wird der Richtungsvektor um einen Dämpfungsfaktor verringert:
Formel 2: Velocity Damper
Drei weitere Modifier lassen eine Gravitationskraft auf die Partikel wirken. Erstens ist der GravityPoint eine punktförmige Gravitationsquelle, deren Gravitationskraft in alle Richtungen wirkt. Zweitens wirkt beim Modifier GravityPlane die Gravitationskraft in Lotrichtung einer Fläche. Drittens der Modifier ParticleGravity, der alle Gravitationskräfte zwischen allen Partikeln berechnet. Die Gravitationskraft beeinflusst jeweils wiederum den Richtungsvektor. Da die Berechnung der Gravitationskräfte für alle drei Modifier ähnlich ist, wird nachfolgend die Berechnung der Gravitationskraft exemplarisch für den Modifier GravityPoint erläutert.
Formel 3: Berechnung der Gravitationskraft und Änderung des Richtungsvektors
Zunächst wird die Distanz des Partikels zum Gravitationspunkt berechnet. Anschließend wird die Gravitationskraft berechnet, die von der Distanz und der Masse des Partikels sowie des Gravitationspunkts abhängig ist. Das Partikel wird in Richtung des Gravitationspunkts um die eben berechnete Gravitationskraft in Abhängigkeit zur Distanz und Masse des Partikels beschleunigt. Abschließend wird der Beschleunigungsvektor mit dem bisherigen Richtungsvektor addiert, um den neuen Richtungsvektor zu erhalten.
Eine Eigenschaft der Partikelsimulation ist, dass Partikel voneinander unabhängig sind. Durch das Feature MassSpring und den Modifier MassSpringTransformation wird die Simulation um das physikalische Konzept Masse-Feder-Systeme erweitert. Partikel besitzen jeweils eine Masse und sind mit Federn untereinander verbunden. Jede Feder hat eine festgelegte Länge, bei welcher sie sich im Ruhezustand befindet. Sie kann jedoch auch gestaucht sein, d.h. die Distanz zweier mit Federn verbundener Partikel ist geringer als die eigentliche Länge der Feder. Andersherum ist die Feder gestreckt wenn die Distanz größer ist. Der Modifier berechnet in jeder Iteration für jedes Partikel und jede ihrer Federn die Federkraft und ändert den Richtungsvektor beider mit der Feder verbundenen Partikel. Um zu vermeiden, dass die Federkräfte doppelt berechnet werden, und damit Geschwindigkeitseinbußen zu verzeichnen wären, ist eine Feder eindeutig einem Partikel zugeordnet. Damit Partikel überhaupt über Federn verfügen, müssen sie dem Partikel von einem spezialisierten Emitter hinzugefügt werden. Beispiele sind der ClothEmitter und der SoftBodyEmitter.
Formel 4: Berechnung der Federkräfte und Änderung des Richtungsvektors
In Abschnitt 4.2 wurden bereits die Features ParticleColor und ParticleSize erwähnt. Doch beim Einsatz dieser Features ohne einen zugehörigen Modifier würde zwar die Datenstruktur des Partikels erweitert werden, aber der Farbwert bzw. die Größe des Partikels nicht geändert werden. Daher wurden zur Änderung der Farben und der Partikelgröße über die Zeit mehrere Modifier implementiert. Die LinearColorTransformation ändert die aktuelle Farbe des Partikels zwischen Startfarbe und Endfarbe durch lineare Interpolation. Somit ist es beispielsweise möglich, dass ein anfänglich rotes Partikel sich zu einem gelben Partikel entwickelt. Der Modifier RandomStartColor vergibt jedem Partikel bei der ersten Iteration eine zufällige Farbe. Ein weiterer Modifier LinearSizeTransformation arbeitet ähnlich wie der Modifier LinearColorTransformation und ändert die Partikelgröße von einer Startgröße bis hin zur Endgröße. Hingegen lässt der Modifier PulseSizeTransformation die Größe des Partikels mit Hilfe einer Sinusschwingung pulsieren.
Ebenfalls in Abschnitt 4.2 wurde das Feature PositionPath vorgestellt. Ziel ist es, dass ein Partikel die letzten Positionen speichert. Der Modifier PositionPathBuffering entfernt bei jeder Iteration die älteste Position und fügt die aktuelle Position hinzu.
Wie zu sehen ist, nehmen die Modifier eine zentrale Rolle im Partikelsystem ein. Sie verringern die Komplexität des gesamten Systems, indem einzelne Operationen jeweils in einem eigenen Modifier gekapselt werden. Modifier sind kombinierbar und es können alternative Implementierungen, wie z.B. bei der Art wie die Farben über die Zeit geändert werden, angeboten werden.
4.5 Renderer
Die bisherigen Abschnitte behandelten die Erzeugung und Modifizierung innerhalb des Partikelsystems. Dieser Abschnitt zeigt die Visualisierung des Partikelsystems. Dabei umfasst die Visualisierung nicht nur die Partikel und Faces selbst, sondern es gilt weitere Elemente wie beispielsweise Emitter und Modifier darzustellen. Für jedes darzustellende Element muss das Interface Renderer implementiert werden. Da es einige Methoden gibt, die allen Renderern gemeinsam sind, implementieren die konkreten Renderer von der abstrakten Klasse AbstractRenderer.
Renderer können der Visualisierungs- und Editierkomponente dynamisch hinzugefügt werden. Zudem können Renderer auch temporär aktiviert und deaktiviert werden. Die Klasse RendererManager verwaltet alle Renderer und ruft in jedem Frame jeden hinzugefügten und aktivierten Renderer auf.
Zur Visualisierung von Emittern wurde die Klasse EmitterRenderer implementiert. Der EmitterRenderer zeichnet an der Position aller in der Partikelsimulation vorhandenen Emitter eine Kugel. Diese kann per Mausklick durch den Raum gezogen werden, und ändert die Position des Emitters. Beim Anklicken einer Kugel wird ein Editor für den ausgewählten Emitter geöffnet. Zudem ist es möglich, einen ausgewählten Emitter per Tastendruck zu entfernen. Jedoch sind nicht alle Emitter punktförmig und müssen daher auf eine andere Weise dargestellt werden. Beispielsweise ist der PlaneEmitter mit zwei Punkten und einer Normale definiert und muss dementsprechend als Fläche im Raum dargestellt werden.
Bei den Modifiern wird in darstellbare und nicht darstellbare Modifier unterschieden. Nichtdarstellbare Modifier sind beispielsweise die Klasse ParticleLimiter, die die Höchstzahl von Partikeln im System reguliert und die Klasse VelocityTranstransformation, die den aktuellen Richtungsvektor zur aktuellen Position addiert. Jedoch existieren einige Modifier, die darstellbar sind. Dies sind zum Beispiel punktförmige Gravitationspunkte, die durch den Renderer GravityPointRenderer dargestellt werden. Wie Emitter besitzen sie eine Position und werden ebenfalls als Kugel, jedoch in einer anderen Farbe, gezeichnet.
Ein weiterer Renderer ist von Nutzen, wenn das Feature MassSpring genutzt wird. Der SpringRenderer zeichnet die in der Partikelsimulation existierenden Federn zwischen Partikeln ein. Um darzustellen, ob eine Feder im entspannten Zustand ist, werden drei Farben zum Zeichnen der Linie verwendet. Eine rote Linie bedeutet, dass die Feder gedehnt ist und sich zusammenziehen will. Hingegen bedeutet eine grüne Linie, dass die Feder gestaucht ist und sich ausdehnen möchte. Eine Feder im Ruhezustand wird grau gezeichnet. Ob sich die Feder im gedehnten, gestauchten oder Ruhezustand befindet, berechnet sich dadurch, ob die Distanz beider Partikel größer, kleiner oder gleich der Federlänge ist.
Es gibt weitere Renderer, die kurz vorgestellt werden sollen: der CameraRenderer stellt an den Positionen der Kameras einen Trichter in Blickrichtung der Kamera dar. Der AxisRenderer zeichnet ein Achsenkreuz durch den Ursprung des World Space.
4.6 Rendering von Partikeln und Faces
Nun stellt sich die Frage, wie Partikel und Faces gezeichnet werden. Auch dies soll der Anforderung der Software entsprechen, flexibel und erweiterbar zu sein. Um unterschiedliche Partikeltypen darzustellen, existiert ein Interface ParticleRenderer. Das konkrete Zeichnen von Partikeln findet in einer Klasse statt, die dieses Interface implementiert.
Die Klasse ParticleRendererManager verwaltet die einzelnen Renderer für Partikel. Auch sie können dynamisch zur Laufzeit hinzugefügt, entfernt oder ausgetauscht werden. Zur Effizienzsteigerung ist eine weitere Aufgabe des ParticleRendererManager das Cachen von Partikeln in separaten Listen für jeden genutzten ParticleRenderer. Diese Listen ermöglichen es, Partikel, die einen bestimmten ParticleRenderer nutzen, direkt nacheinander zu zeichnen. Das bedeutet, dass die Initialisierung und Deinitialisierung des Zeichnens, wie beispielsweise das Laden einer Textur oder das Setzen einer Zeichenprimitive in OpenGL, nicht einmal pro Partikel geschieht, sondern nur einmal pro ParticleRenderer. Auf diese Weise konnte, je nach konkreter Implementierung, eine enorme Steigerung der Performance erreicht werden. Der zu zahlende Preis ist eine gesteigerte Komplexität durch die Verwaltung der Listen und die Invalidierung von Cacheobjekten, d.h. Partikel deren Lebenszyklus beendet ist. Gerade das Entfernen von Partikelobjekten aus dem Cache ist Performancekritisch. Daher wurde es nötig, die Java-Klasse LinkedList zu verwenden, die im Gegensatz zu ArrayList sowohl beim hinzufügen als auch beim entfernen von Listenobjekten in linearer Zeit arbeitet.
Die Darstellung von Partikeln selbst kann unterschiedlich komplex sein. Die einfachsten Fälle sind das Zeichnen von Primitiven wie Punkten, Linien, Linienzüge, Dreiecken und Vierecken. Diese konnten so erweitert werden, dass sie farbig gezeichnet werden, wenn das Feature ParticleColor vorhanden ist. Auch die Verwendung des Features ParticleSize ist beispielsweise durch die Punktgröße oder die Liniendicke auf einfache Weise möglich. Zudem wurde Alphablending eingesetzt, so dass Punktwolken deutlich realistischer wirken, da die Dichte der Wolke sichtbar wird.
Sollen optisch ansprechende Partikelrenderer implementiert werden, so steigt der Aufwand bei der Implementierung. OpenGL unterstützt mit sogenannte Point Sprites, mit welchen sich das Verfahren Billboarding anwenden lässt (siehe Abschnitt 2). Die Initialisierungsphase eines Partikelrenderers ist bei der Nutzung von Billboarding deutlich umfangreicher. Doch dieses Verfahren ist lohnenswert: in Verbindung mit geeigneten Texturen werden optisch ansprechende Effekte möglich. So greifen einige Partikelrenderer für diese Technik zurück, um Feuer- und Energiebälle, Lagerfeuer, grüne Giftwolken, Nebelschwaden und Schnee-flocken darzustellen. Dank der Unterstützung der Grafikhardware und OpenGL ist das Zeichnen nur wenig langsamer als das Zeichnen einer Punktprimitive.
Die Möglichkeiten der Visualisierung von Partikeln sind damit jedoch noch nicht ausgeschöpft. So wurde ein Partikelrenderer für Ringe implementiert, der einen Kreis mit dem Durchmesser der Partikelgröße zeichnet. Dabei liegt der Richtungsvektor des Partikels im Lot der Fläche des Kreises, so dass bei hintereinander emittierten Partikeln der Effekt einer gekrümmten Röhre entsteht. Der TubeParticleRenderer nutzt das Feature PositionPath und stellt anhand der letzten Positionen eine Röhre dar. Dazu muss neben der Normale und der Tangente auch die Bitangente des Partikels für die Berechnung der einzelnen Röhrensegmente genutzt werden. Eine Variante des TubeParticleRenderers ist die Klasse SpiralParticleRenderer, die die Röhrensegmente beim Zeichnen verdreht, so dass statt einer Röhre eine Spirale entsteht.
Im Laufe der Entwicklung wurden Partikelrenderer auch dazu verwendet, um physikalische Vorgänge zu visualisieren. In einer Partikelsimulation mit mehreren Gravitationspunkten ist es beispielsweise von Interesse, wie sich der Richtungsvektor eines Partikels pro Iteration ändert. Sehr anschaulich wird dies durch die Klasse VelocityIndicatorParticleRenderer. Diese zeichnet ausgehend von der Position des Partikels den Richtungsvektor als Linie. Eine weitere Darstellungsform ist die Klasse VeloCube, die einen Quader zeichnet. Die Ausmaße ergeben sich dabei durch die drei Komponenten des Richtungsvektors.
Analog zur Darstellung von Partikeln erfolgte die Umsetzung der Darstellung von Faces. Jedoch muss das Interface FaceRenderer implementiert werden. Die Verwaltung erfolgt durch die Klasse FaceRendererManager. Das beschriebene Verfahren zum Cachen von Partikeln wurde ebenfalls beim FaceRendererManager angewendet. Der bedeutenste Unterschied liegt darin, dass FaceRenderer die Positionen von einer variablen Anzahl von in den Faces enthaltenen Partikeln nutzen müssen. Eine einfache Implementierung ist die Klasse PolygonFaceRenderer, die ein Polygon unter Verwendung der Partikelpositionen als Eckpunkte zeichnet. Jedoch sind weitere Anwendungsfälle möglich, wie beispielsweise gekrümmte Oberflächen oder das Zeichnen von mehreren Flächen.
4.7 Performance
Ein wichtiger Aspekt bei der Implementierung der Partikelsimulation ist die Performance. Um die Performance zu steigern, wurden mehrere Maßnahmen durchgeführt.
Pro Iterationsschritt wird jeweils jeder Emitter aufgerufen. Anschließend werden in jedem Iterationsschritt für jedes Partikel jeder Modifier aufgerufen. Im Gegensatz zu Emittern ist also die Anzahl von Modifiern entscheidend für die Performance. Da Modifier für jeden Partikel aufgerufen werden, sinkt die Performance je mehr Partikel existiert sind. Zusätzlich unterscheiden sich der Aufwand der Implementierungen von Emittern und Modifiern.
Wie in Abschnitt 3 gezeigt, ist die Komponente Partikelsimulation unabhängig von der Visualisierungs- und Editierkomponente. Durch diese Trennung wird es möglich beide Komponenten in eigenen Threads zu betreiben. Dies ist in doppeltem Sinne erstrebenswert: die Verarbeitungsgeschwindigkeit wird einerseits erhöht und andererseits blockieren sich beide Komponenten nicht.
Weiterhin werden Partikel, Faces, Emitter, Modifier und Features in einer ArrayList verwaltet, da dies in Java den schnellstmöglichen Zugriff per Iterator ermöglicht.
Ein weiterer Aspekt betrifft das fortlaufende Erzeugen von neuen Partikelobjekten durch Emitter. Schon das Erzeugen von Java-Objekten belastet die Performance. Noch drastischer wirkt sich jedoch das Aufräumen von nicht mehr genutzten Objekten in Java aus. Wird ein Objekt referenzlos, so wird dieses bei der nächsten GarbageCollection von der Java Virtual Maschine entfernt. Während der GarbageCollection wird jedoch die Anwendung, die auf der virtuellen Maschine läuft, in diesem Fall die Partikelsimulation, vollständig blockiert bis die Garbage-Collection beendet ist. Dies führt bei wenigen Partikeln, zu gelegentlichen und kaum merkbaren Rucklern. Je mehr Partikel jedoch emittiert wurden und nach ihrem Lebenszyklus schließlich aufgeräumt werden müssen, desto häufiger und störender wirkt sich dieser Effekt aus.
Als Maßnahme um diese störenden Effekte zu minimieren, werden Partikel wiederverwendet. Statt ein Partikelobjekt nach dem Lebenszyklus aus der Liste von lebenden Partikeln zu entfernen, und damit der Garbage-Collection zu überlassen, werden sie in einem als Stack implementierten Pool gespeichert. Emitter erzeugen nur noch dann neue Partikel- objekte, wenn in dem Pool keine Partikelobjekte mehr vorhanden sind. Anderenfalls wird ein Partikelobjekt aus vom Stack geholt und initialisiert. Somit konnte verhindert werden, dass die Anwendung durch häufige und länger dauernde GarbageCollection-Vorgänge unterbrochen wird. Zudem konnte durch das Reduzieren des Erzeugens von neuen Java-Objekten Performancesteigerungen erreicht werden.
5. Ergebnisse
Die Software leistet einen Beitrag zur Entwicklung von Partikelsimulationen mittels Java, OpenGL und der Leightweight Java Game Library. Sie ist als Open-Source Experimentiersoftware für Partikelsysteme bisher konkurrenzlos. Durch die Architektur der Software wird nicht nur die Erweiterbarkeit gewährleistet, sondern zudem eine hohe Performance erreicht.
Die vorgestellte Anwendung könnte zum Ausprobieren von neuartigen visuellen Effekten, beispielsweise für Computerspiele oder Filme, genutzt werden oder sogar Künstlern als neue Ausdrucksform dienen. Des Weiteren bietet sich die Software zur Visualisierung von Simulationen an.
Um die Erkenntnisse öffentlich verfügbar zu machen, steht die entwickelte Software unter dem General Public License. Dies erlaubt es Dritten, die Software zu nutzen, erweitern und unter gleichen Bedingungen weiterzugeben.
6. Zusammenfassung und Ausblick
Diese Arbeit zeigt die Implementierung einer Experimentiersoftware zur Simulation und Darstellung von Partikeln. Sie erlaubt es dem Anwender, visuell eindrucksvolle, aus Partikel bestehende Szenarien zu entwickeln. Dieses Ziel wurde durch die Erweiterbarkeit der Software einerseits und die Kombinierbarkeit und Konfigurierbarkeit innerhalb der Anwendung andererseits erreicht.
Zukünftige Weiterentwicklungen könnten weitere Emitter, Modifier und Features umfassen. Beispielsweise könnten Emitter für die Generierung von fraktalen Landschaften oder für die Generierung von Vegetation mittels Lindenmayer Systemen implementiert werden. Eine weitere Erweiterungsmöglichkeit bestünde darin, einen Modifier zu implementieren, der die Reproduktion und Vervielfältigung von Partikeln anhand von Regeln simuliert. Darüber hinaus könnte die Software um Beleuchtungs- und Reflexionsmodelle erweitert.
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