模拟系列（二）——模拟闪电

要求

简要模拟闪电的形成过程，要求插值渲染，用C# WinForm实现（网格）。

思路

逻辑部分

1. 网格电场模型是一种图结构，基于C#的特性，设计Node类（结点）和Wire类（连线），且为泛型。
2. 设计超类Unit（继承自Node，管理Node的事件）。
3. 网格模型的计算需要状态的更替，故设计Status类（状态）和Mutable类（原状态和新状态）。
4. 每个电路对象（结点，单元，连线）拥有一个唯一编号，故设计Markable类（基于UUID）。
5. 结点和单元可以处理事件（单击、绘图等），增加接口IDraw。
6. 单元的绘制过程使用插值接口IInterpolating，边界为双线性插值，中间为更平滑的双立方插值。
7. 为介质设计介质计算接口IMedia，用于计算传导电流以及判定介质是否击穿。

界面部分

1. 采用DirectUI思想绘制，API采用Gdi+的Graphics，构造图元方法参考自@vczh的C++ GUI Library/GacLib。
2. 构造渲染器工厂GraphicsRendererFactory和图元工厂GraphicsElementFactory，渲染器存放绘制句柄（对Gdi+而言不需要存放句柄，且Gdi+对象有缓存机制），图元存放图形的属性。
3. 每个元器件拥有独立的IGraphicsElement图元绘制接口集合以绘制图像。
4. 插值函数采用双线性和双立方插值，双线性只需4个网格，而双立方需要16个网格，分层渲染（Estimate Test），渲染网格越小，颜色梯度越大，则耗时越多。
5. 由于插值算法为CPU密集型，故本身效率不高，有优化空间，参考渐变着色为相对着色（按最值设置区间）。

核心算法

采用状态更新机制，类似状态机，并行优化。

public virtual void Update()
        {
            _nodes.Values.AsParallel().ForAll(a => a.Advance(AdvanceType.NodeToWire));
            _wires.Values.AsParallel().ForAll(a => a.Advance(AdvanceType.NodeToWire));
            _wires.Values.AsParallel().ForAll(a => a.Update());
            _wires.Values.AsParallel().ForAll(a => a.Advance(AdvanceType.WireToNode));
            _nodes.Values.AsParallel().ForAll(a => a.Advance(AdvanceType.WireToNode));
            _nodes.Values.AsParallel().ForAll(a => a.Update());
        }

测试

PS：由于仿真算法本身的不足，击穿及传导等各种物理参数很难调整完全，故仿真结果差强人意，帧率太低。由于绘图采用异步的async/await机制，故要求.NET 4.5。

云内电荷迁移：

可以看出，电荷慢慢迁移到云的边界处，导致边界处场强增大，颜色梯度增大。

云的左上角出现一对电荷量相反且电荷非常集中的正反电荷，导致其他区域的颜色梯度接近为中等，呈现绿色。这对集中的正反电荷导致云与空气的接触面被击穿。

云的四周布满电荷，导致云内部被击穿，同时，由于巨大的场强，地上产生感应电流。

电场逐渐增大，地上附近的空气被击穿，产生电流，向上延伸；云附近的空气被击穿，向四周延伸。地下是零电位导体。

至于如何使得感应电流成为一条有鲜明轮廓的折线（闪电轮廓），还有待研究。

 

源码

https://github.com/bajdcc/SimuCircult

类库：SimuElectricity

界面：WinSE