【游戏设计图形学】模拟自然界火焰的方法

liefeng603

一场燎原的大火正向你扑面而来！本文将介绍在游戏中模拟火焰在自然界中传播时用到的一些技巧。

《孤岛惊魂》中使用的简单模型

Jean-Francois Lévesque 参与了制作《远哭 2》的火焰传播系统，以下是他在他的文章（参考[1]）中所说的。

这里使用的火焰传播系统非常简单，为了游戏性必须牺牲一些真实性。作者喜欢将事情简单化，所以不会有复杂的数学公式和流体模拟。

对于 2D 平面来说，比如一块草地，为了模拟火焰传播，可以用一大块网格覆盖住。

接下来模拟火焰传播的过程是非常简单的。每个还没着火的网格有一个耐久度，而周围的火焰会让这个耐久度减小。当耐久度等于 0 时，这个网格就算是起火了，这个网格上的火会继续减少其他相邻网格的耐久度。

当然，非常容易着火的干草地的耐久度要低一些，而不会着火的石头的耐久度是无穷大。

如果是 3D 模型，就添加 AABB 盒，并且会准备几个模型以表现不同的烧毁程度。

在《远哭 2》中，火焰传播还会受到风的影响。但也并没有用到复杂的空气动力学，而仅仅是把风的方向向量，与火源到未着火网格的方向向量的点积，作为火焰的“攻击力”。

当然也有一些很重要的优化。

细节层次：level of detail，简单来说就是近处的火焰粒子较为精细高清，而远处的较为模糊粗糙。玩家看不清楚远处精细的东西符合我们的认知，这样设计也能节约很多 CPUGPU 计算资源。

事件管线：同样是为了节省 GPU 计算资源，我们会将相同的地块放到一个 AABB 盒中，即已经烧完放到同一个 AABB 盒，正在燃烧的放到另外一个。

约束条件：如果没有一些约束条件，玩家扔的火很可能烧遍整个地图。因此可以这样设计，玩家扔出的莫洛托夫有 60 点“攻击力”，而一个方格里的草有 8 点“耐久度”，因此一个火瓶可以点燃 7 格的草。而这些在草上燃烧的第一遍火只有 50 点“攻击力”，再传下去的火只有 40 点“攻击力”，如此下去，火就不会永远燃烧下去了。

风对火焰传播的影响
以上是火焰传播的简单模型。但想要模拟真实的火焰传播，仍然有许多值得把玩的地方。

在有风影响时，火焰整体通常会呈现出鸡蛋状。黑色箭头所指即风的方向，受到风的作用，前端火焰，即鸡蛋尖，要比后端火焰，即鸡蛋尾的传播速度快。

例如在 S. Krezel 制作的虚幻 4 插件中，草地上的火焰传播在风的影响下是这样的：四幅一组的图中，左边两幅是风由左向右，右边两幅是风由右向左，上面两幅是弱风，下面两幅是强风。

可简单地把风方向向量与火焰向量点积作为火的传播速度，也可以根据在实验室的计算与观察来更真实的火焰传播。

斜坡对火焰传播的影响

除去风外，斜坡也是对火焰传播影响很大的因素。在参考[3] 中，作者得到的结论是，当前端火焰顺着风的方向，并且这个方向是上坡时，火焰的传播速度最快。数据如下：

左上图的可燃烧物是地中海松的落叶（pine halepensis litter）, R0 是火焰在无风无斜坡时传播的速度，R 是火焰受到风与斜坡影响下的速度，SLA 即斜坡角度。

右上图可燃物是地中海松的落叶，fs 是火焰只受到斜坡的影响时的速度，fw 是火焰只受到风的影响的速度。

下面两幅图的可燃物是南欧海松的落叶（pine pinaster litter）。

而在参考[4] 中，作者依据 FIRETEC 火焰传播模型得到了以下结论：

其中 ROS 是火焰传播的速度，Slope 是坡度，U 是风的速度，而 L 是前端火焰的宽度。可以看到，”+“符号代表的强风模型，其火焰传播速度几乎与坡度呈线性，而”⭕“符号代表的弱风模型，其火焰传播速度在由下坡变为上坡后才与坡度近似线性关系。

火焰温度

火焰颜色条及其 RGBA 值。来源：参考[5]。

参考：
[1] http://jflevesque.com/2012/12/06 ... -burns-and-spreads/
[2] Modeling wildland fire propagation with level set methods V. Mallet a,b,∗ , D.E. Keyes c , F.E. Fendell d
[3] Wind and slope effects on ROS during the fire propagation in East-Mediterranean pine forest litter Miltiadis Boboulos , M.R.I. Purvis 1
[4] Coupled slope and wind effects on fire spread with influences of fire size: a numerical study using FIRETEC F. PimontA,C, J.-L. DupuyA and R. R. LinnB
[5] REAL-TIME FIRE SIMULATION by SARAYUTH SANTIKONGKA, B.E.
[6] 油管视频 https://www.youtube.com/watch?v=aWfbiAdfyhQ

最后再来一张火焰魔法阵来镇楼吧！

欢迎来我的知乎上查看此文章！

相关阅读：【游戏设计图形学】在地图上生成蜿蜒河流的两种方法

作者：clatterrr
来源：INDIENOVA
地址：https://indienova.com/indie-game-development/fire-simulation-algorithm/