MIDP中尝试粒子系统

作者：favoyang

粒子系统在图形学上的应用十分广泛。最常见的，是通过控制大量的、具有相似行为 的点元素，来描绘自然现象。例如下雨、下雪、火焰、水、雾等等。在家用控制台或PC上的2D、3D游戏中，粒子特效代替了更为传统的精灵绘图，并取得了更 灵活多变的视觉效果。但在手机设备上，因为机能和API的诸多限制，对于这一技术的应用并不常见。本文试图尝试一下如何在这些设备上实现简单的例子系统。 这仅仅是一次试验，并不能保证一定能用于你的实际开发。

粒子系统简介

粒子系统，即粒子群系统。在自然界中，微粒以各种各 样的方式聚集在一起形成，拥有了自身的属性和运动规律，构成了复杂的世界。对这种微粒的研究过于宽泛，我们仅仅关注微粒系统在图形学上应用的一小部分应 用。一个常见的微粒系统由两部分组成：微粒群和微粒管理器。微粒包括了一系列的属性：速度、颜色、贴图等和一系列的行为。微粒管理器则负责创建微粒群，调 用微粒群的行为、以及将微粒群表现出来（显示）。

 
例子系统常见的应用有：描述群体（一个子弹群）、描述自然现象（下雨、下雪、火焰、水、雾）。此文关注的是后者。

实现粒子系统的成本

实现通用粒子系统的前提：
1，要有足够的内存空间保存粒子系统本身
2，可以对屏幕上的点进行控制

对于第1条，我的建议是，不要为每一个粒子系统建立类对象，仅仅保存一个多维数组用作描述状态信息。行为可以抽象到粒子管理器去处理。尽管这样，当粒子数目很多时其消耗也是非常惊人的。
对于第2条，MIDP2.0提供了对屏幕上的点进行访问的能力。这一能力是通过Graphics的

void drawRGB(int[] rgbData, int offset, int scanlength, int x, int y, int width, int height, boolean processAlpha)
          Renders a series of device-independent RGB+transparency values in a specified region.

方 法实现的。此方法不是直接取得对缓冲区的操作能力，而是通过对一个rgbData进行各种操作，然后将它绘画出来，从而实现点的控制。换句话说，对屏幕的 点的控制，转换为了对数组的控制。不开放对缓冲区的直接操作，优点是：不去限制硬件厂商的实现；缺点是：一旦要对整个屏幕进行像素操作，就不得不开辟一个 足够大的数组，则对普通的手机来说显得负担承重。以sek700为例，176*221=38896像素，每个像素一个int（占2Byte），则总共需要 77792B约76KB的连续空间。正如后面看到的，大量的例子算法需要使用到Blur技术用于提高画面效果。此技术需要上次的屏幕的点信息，因此需要两 个76KB的连续空间。这还不算粒子群本身需要的空间。如果仅仅作为屏幕特效，就吃掉两个76KB的连续空间似乎有些得不偿失。另外，标准没有对数组进行 操作的绘图指令，因此如何对数组进行简单的画圆、输出字符等操作都很棘手。所以可以预见，因为标准API的限制，我们仅能有限的利用粒子系统。

试验一：模拟瀑布

基本思路：将粒子群的出生地定于一点，随机产生一个小范围的水平速度。让粒子按照自然规律自由落体。在接触地的时候发生碰撞，产生很小的向上动力（能量衰减）。

以 下是代码，其中blur是一种简单的模糊算法，它可以上画面更见好看，这里使用的是算法是取一个点为其周围四个点的平均值。这个例子使用了调色板技术实现 了瀑布由白向蓝再向黑的过渡（查表法）。通过这个例子，你可了解到例子系统的基本实现、简单的物理模型模拟和调色板的使用技巧。在模拟器上运行很慢，但在 Nokia3310上有13fps。
public class Waterfall {

    public static final int X = 0;

    public static final int Y = 1;

    public static final int VX = 2;

    public static final int VY = 3;

    public static final int XACC = 4;

    public static final int YACC = 5;

    public static final int LIFE = 6;

    public static final int DECAY = 7;

    int[][] particle;

    private int max;

    private int last;

    public Palette pal;

    /*
     * [...][X] :x-coordinates, [...][Y] :y-coordinates, [...][VX] :x-velocity,
     * [...][VY] :y-velocity, [...][XACC] :x-acceleration,
     * [...][YACC]:y-acceleration, [...][LIFE] :life cycle, [...][DECAY] :decay
     */

    /**
     *
     */
    public Waterfall(int max) {
        this.max = max;
        particle = new int[max][8];
        pal = new Palette();
        initPal();
    }

    private void initPal() {// 初始化调色板
        for (int i = 0; i < pal.data.length; i++) {// black-->blue-->white
            pal.setColor(i, i >= 128 ? (i - 128) * 2 : 0, i, i * 2 >= 255 ? 255
                    : i * 2);
        }
        // for(int i=0;i<64;i++)
        // pal.setColor(i,i,i/3,0);
        // for(int i=64;i<192;i++)
        // pal.setColor(i,63,21+(i-64)/3,0);
        // for(int i=192;i<256;i++)
        // pal.setColor(i,63,63,(i-192)*4);
    }

    public void init(int x, int y, int high) {// 初始化
        for (int i = 0; i < max; i++) {
            particle[i][LIFE] = 0;// kill all particle first
        }
        refreshState(x, y);
        last = (y + high) << 10;
    }

    public void refreshState(int x, int y) {// 更新
        int xx = x << 10;
        int yy = y << 10;
        for (int i = 0; i < max; i++) {
            if (particle[i][LIFE] <= 0) {
                particle[i][X] = xx;
                particle[i][Y] = yy;
                particle[i][VX] = CoreUtilities.rand(500, 500);
                particle[i][VY] = CoreUtilities.rand(500, 1500);
                particle[i][XACC] = 0;
                particle[i][YACC] = 50;
                particle[i][LIFE] = 1000;
                particle[i][DECAY] = CoreUtilities.rand(0, 125);
            }
        }
    }

    public void move() {// 移动
        for (int i = 0; i < max; i++) {
            if (particle[i][LIFE] > 0) {
                particle[i][X] += particle[i][VX];
                particle[i][Y] += particle[i][VY];
                // particle[i][VX]+=particle[i][XACC];//not need this time
                particle[i][VY] += particle[i][YACC];
                particle[i][LIFE] -= particle[i][DECAY];
            }
            if (particle[i][Y] > last) {
                // System.out.println("before: "+particle[i][VY]);
                // particle[i][VY] = -particle[i][VY];
                // particle[i][DECAY]+=50;
                particle[i][LIFE] -= 500;// 模拟能量衰减
                // particle[i][VY] += 3500;//manual speed-down
                particle[i][VY] = CoreUtilities.rand(-1000, 400);// 模拟能量衰减
                // System.out.println("after "+particle[i][VY]);
                // particle[i][VX] ;
                // particle[i][LIFE] = 0;
                // System.out.println("particle[i][LIFE]: "+particle[i][LIFE]);
            }
        }
    }

    public void paint(byte[] buffer, int scanlength) {// 绘画
        int i = 0;
        int col = 0, row = 0;
        int lastrow = buffer.length / scanlength - 1;
        int lastcol = scanlength - 1;
        try {
            for (i = 0; i < max; i++) {
                col = particle[i][X] >> 10;
                row = particle[i][Y] >> 10;
                if (row > lastrow || row < 0 || col < 0 || col > lastcol)
                    continue;
                buffer[scanlength * (row > lastrow ? lastrow : row)
                        + (col > lastcol ? lastcol : col)] = 127;
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e);
            System.out.println("particle[i][X] : " + particle[i][X]);
            System.out.println("particle[i][Y] : " + particle[i][Y]);
            System.out
                    .println("particle[i][X]>>10 : " + (particle[i][X] >> 10));
            System.out
                    .println("particle[i][Y]>>10 : " + (particle[i][Y] >> 10));
            System.out
                    .println("scanlength * (row > lastrow ? lastrow : row)+ (col > lastcol ? lastcol : col) :"
                            + (scanlength * (row > lastrow ? lastrow : row) + (col > lastcol ? lastcol
                                    : col)));
        }
    }

    public void blur(byte[] inBuffer, byte[] outBuffer, int scanlength) {// 模糊算法

        int k = scanlength;
        int backheight = inBuffer.length / scanlength;
        for (int i = 1; i < backheight - 1; i++) {
            for (int j = 0; j < scanlength; j++) {
                outBuffer[k] = (byte) ((inBuffer[k - 1] + inBuffer[k + 1]
                        + inBuffer[k - scanlength] + inBuffer[k + scanlength]) >> 2);
                // if (outBuffer[k] > -126)
                // outBuffer[k] -= 2;
                // else
                // outBuffer[k] = -128;
                k++;
            }
        }
        // for (k = 0; k < scanlength; k++) {
        // outBuffer[k] = inBuffer[k];
        // }
        // for (k = (backheight - 1) * scanlength; k < inBuffer.length; k++) {
        // outBuffer[k] = inBuffer[k];
        // }
    }

    public String toString() {// 调试信息
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        for (int i = 0; i < max; i++) {
            sb.append(particle[i][X] + " " + particle[i][Y] + " "
                    + particle[i][VX] + " " + particle[i][VY] + " "
                    + particle[i][XACC] + " " + particle[i][YACC] + " "
                    + particle[i][LIFE] + " " + particle[i][DECAY] + "\n");
        }

        return sb.toString();
    }
}

试验二：模拟定点火

有了上面的基础，我们这次就驾轻就熟了。只要准备好调色板，确定好粒子的状态：出生位置，选择适当的blur算法就可以了。
火 焰这个例子有些特殊的地方是，并不需要很多的粒子属性。仅仅将粒子出生于屏幕底端（火焰的定点位置），再通过一个特殊的blur算法，就可实现了。这个 blur算法就是取一点为自身和自身正下方、左下方、右下方四点的平均值。这样一来，火焰就诞生了。这个例子在Nokia3310上有13fps。因为选 取的调色板不是很好，所以颜色很黯淡，你也可以使用更高的调色板达到更好的效果。

    
试验三：模拟爆炸

和火焰大同小异，blur算法换回了标准的算法。主要是物理模型变动，加速度很重要，因为它可以改变物体的运动方向。这个例子在Nokia3310上有13fps。

试验四：模拟水波

算法来自一片经典文章，是某位前辈很早之前贡献出来的，有兴趣可以google一下。为表尊重，图片依旧用的原来的图片。算法大意是通过势能计算物体位移。这个例子在Nokia3310上有12fps。

试验五：模拟星空

最后这个例子并没有用到blur算法，所以速度很快，效果也不错。只要是利用颜色速度区分远近达到视觉上的层次感效果。这个例子在Nokia3310上有36fps。

总结

机 能和标准API的双重限制，让我们使用粒子系统遇到了不少的障碍。但在高端手机设备上，内存堆比较大，可以尝试利用粒子系统进行一些特效（菜单使用火焰 等），在支持Alpha合成的机器上，还可以引入一个单纯的特性层，来进行特效合成，这对于高档手机的机能是个开发。本文仅仅泛泛而谈，几个实例也很简 单，都有优化的余地。感兴趣读者可自行实现。