基于opengl粒子系統的噴泉模擬(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 u‖,uy/‖u‖,uz/‖u‖} （22）其中， 表示單位向量。通過分別把兩個向量的各個分量相加，可以得到向量之和，如公式（23）所示：u+v=(ux+ux,uy+uy,uz+uz) （23） OpenGLOpenGL 是 OpenGraphicsLib 的縮寫，是一套三維圖形處理庫，也是該領域的工業標準。計算機三維圖形是指將用數據描述的三維空間通過計算轉換成二維圖像并顯示或打印出來的技術。OpenGL 就是支持這種轉換的程序庫，它源于 SGI 公司為其圖形工作站開發的 IRIS GL，在跨平臺移植過程中發展成為 OpenGL。湖 南 大 學 畢 業 設 計 (論 文 ) 第 7 頁湖南大學軟件學院OpenGL 是目前用于開發可移植的、可交互的 2D 和 3D 圖形應用程序的首選環境，也是目前應用最廣泛的計算機圖形標準。OpenGL 是一套的計算機圖形處理系統，是圖形硬件的軟件接口，GL 代表圖形庫（Graphics Library） 。OpenGL 具有可移植性，任何一個 OpenGL 應用程序無須考慮其運行環境所在平臺與操作系統，在任何一個遵循OpenGL 標準的環境下都會產生相同的可視效果。OpenGL 不是一種編程語言，而是一種 API（Application Programming Interface，應用程序編程接口） 。當我們說某個程序是基于 OpenGL 的或者說它是個 OpenGL 程序是，意思是說它是用某種編程語言如 C 或 C＋＋編寫的，其中調用了一個或多個OpenGL 庫函數。作為一種 API，OpenGL 遵循 C 語言的調用約定。OpenGL 主要包括三個函數庫，它們是核心庫、實用函數庫和編程輔助庫。核心庫中包含了 OpenGL 最基本的命令函數。核心庫提供了一百多個函數，這些函數都以”gl”為前綴，用來建立各種各樣的幾何模型、進行坐標變換、產生光照效果、進行紋理映射、產生霧化效果等所有的二維和三維圖形操作。實用函數庫是比核心庫更高一層的函數庫，它提供四十多個函數，這些函數都以”glu”為前綴。由于 OpenGL 是一個圖形標準，是獨立于任何窗口系統或操作系統的，在 OpenGL中沒有提供窗口管理和消息事件響應的函數，也沒有鼠標和鍵盤讀取事件的功能，所以在編程輔助庫提供了一些基本的窗口管理函數、事件處理函數和簡單的事件函數。這類函數以”aux” 作為前綴。值得一提的是，目前 AUX 編程輔助庫已經很大程度上被 GLUT 庫取代了。GLUT代表 OpenGL 應用工具包（ OpenGL Utility Toolkit） ，是一個與窗口系統無關的工具包。它作為 AUX 庫的功能更強的替代品，用于隱藏不同窗口系統 API 的復雜性。GLUT 的子程序的前綴使用”glut”。 MFCMFC 簡單來說就是 VC 的類庫，是一個編程框架。MFC（Microsoft Foundation Class Library）中的各種類結合起來構成了一個應用程序框架，它的目的就是讓程序員在此基礎上來建立 Windows 下的應用程序，這是一種相對 SDK 來說更為簡單的方法。湖 南 大 學 畢 業 設 計 (論 文 ) 第 8 頁湖南大學軟件學院從總體上來看，MFC 框架定義了應用程序的輪廓，并提供了用戶接口的標準實現方法，程序員所要做的就是通過預定義的接口把具體應用程序特有的東西填入這個輪廓。Microsoft Visual C++提供了相應的工具來完成這個工作：AppWizard 可以用來生成初步的框架文件（代碼和資源等） ；資源編輯器用于幫助直觀地設計用戶接口；ClassWizard 用來協助添加代碼到框架文件；最后編譯，則通過類庫實現了應用程序特定的邏輯。構成 MFC 框架的是 MFC 類庫。MFC 類庫是 C++類庫。這些類或者封裝了 Win32應用程序編程接口，或者封裝了應用程序的概念，或者封裝了 OLE 特性，或者封裝了ODBC 和 DAO 數據訪問的功能等等。MFC 抽象出眾多類的共同特性，設計出一些基類作為實現其他類的基礎。這些類中，最重要的類是 CObject 和 CCmdTarget。CObject 是 MFC 的根類，絕大多數 MFC類是其派生的，包括 CCmdTarget。CObject 實現了一些重要的特性，包括動態類信息、動態創建、對象序列化、對程序調試的支持，等等。所有從 CObject 派生的類都將具備或者可以具備 CObject 所擁有的特性。CCmdTarget 通過封裝一些屬性和方法，提供了消息處理的架構。MFC 中，任何可以處理消息的類都從 CCmdTarget 派生。針對每種不同的對象，MFC 都設計了一組類對這些對象進行封裝，每一組類都有一個基類，從基類派生出眾多更具體的類。這些對象包括以下種類：窗口對象，基類是 CWnd；應用程序對象，基類是 CwinThread；文檔對象，基類是 Cdocument，等等。程序員將結合自己的實際，從適當的 MFC 類中派生出自己的類，實現特定的功能，達到自己的編程目的。MFC 以“C++”為基礎，自然支持虛擬函數和動態約束。但是作為一個編程框架，有一個問題必須解決：如果僅僅通過虛擬函數來支持動態約束，必然導致虛擬函數表過于臃腫，消耗內存，效率低下。例如，CWnd 封裝 Windows 窗口對象時，每一條Windows 消息對應一個成員函數，這些成員函數為派生類所繼承。如果這些函數都設計成虛擬函數，由于數量太多，實現起來不現實。于是，MFC 建立了消息映射機制，以一種富有效率、便于使用的手段解決消息處理函數的動態約束問題。這樣，通過虛擬函數和消息映射，MFC 類提供了豐富的編程接口。程序員繼承基類的同時，把自己實現的虛擬函數和消息處理函數嵌入 MFC 的編程框架。MFC 編程湖 南 大 學 畢 業 設 計 (論 文 ) 第 9 頁湖南大學軟件學院框架將在適當的時候、適當的地方來調用程序的代碼。如前所述，MFC 實現了對應用程序概念的封裝，把類、類的繼承、動態約束、類的關系和相互作用等封裝起來。這樣封裝的結果對程序員來說，是一套開發模板（或者說模式） 。針對不同的應用和目的，程序員采用不同的模板。例如，SDI 應用程序的模板，MDI 應用程序的模板，規則 DLL 應用程序的模板，擴展 DLL 應用程序的模板，OLE/ACTIVEX 應用程序的模板，等等。這些模板都采用了以文檔視為中心的思想，每一個模板都包含一組特定的類。為了支持對應用程序概念的封裝，MFC 內部必須作大量的工作。例如，為了實現消息映射機制，MFC 編程框架必須要保證首先得到消息，然后按既定的方法進行處理。又如，為了實現對 DLL 編程的支持和多線程編程的支持，MFC 內部使用了特別的處理方法，使用模塊狀態、線程狀態等來管理一些重要信息。雖然，這些內部處理對程序員來說是透明的，但是，懂得和理解 MFC 內部機制有助于寫出功能靈活而強大的程序。總之，MFC 封裝了 Win32 API，OLE API，ODBC API 等底層函數的功能，并提供更高一層的接口，簡化了 Windows 編程。同時，MFC 支持對底層 API 的直接調用。MFC 提供了一個 Windows 應用程序開發模式，對程序的控制主要是由 MFC 框架完成的，而且 MFC 也完成了大部分的功能，預定義或實現了許多事件和消息處理，等等。框架或者由其本身處理事件，不依賴程序員的代碼；或者調用程序員的代碼來處理應用程序特定的事件。MFC 是 C++類庫，程序員就是通過使用、繼承和擴展適當的類來實現特定的目的。例如，繼承時，應用程序特定的事件由程序員的派生類來處理，不感興趣的由基類處理。實現這種功能的基礎是 C++對繼承的支持，對虛擬函數的支持，以及 MFC 實現的消息映射機制。湖 南 大 學 畢 業 設 計 (論 文 ) 第 10 頁湖南大學軟件學院3. 粒子系統的設計 Particle System API為了方便粒子系統的運用，McAllister 以 OpenGL 為基礎，利用 C++開發了一套Particle System API。這套 API 具有以下優點：運行高效、運用靈活、參數獨立、升級方便、硬件無關、學習簡單等。該系統共分為五個部分：粒子組、活動、活動列表、屬性和域。所有的粒子都存在粒子組中，粒子組是一組具有相同作用力的粒子集合。用戶可以定義多個具有不同行為的粒子組分別進行調用，但在某一時刻，只能有一個粒子組是活動的。活動是粒子組修改粒子屬性的函數。活動列表類似與 OpenGL 中的顯示列表，可以把一系列操作都封裝在一個活動列表中，需要的時候調用相應的活動列表。屬性提供了一些函數，用來修改粒子的顏色、大小和生命周期等屬性。域定義了矩形、球體、園盤、圓柱等一些形狀，使行為函數、屬性函數能在域范圍內做定義。下面的偽代碼描述了粒子系統運行的流程：for each particle group j pCurrentGroup(j)//指定 group j 為當前粒子組 for each time step per rendered framepSource(…)//產生新的粒子 other actions…//改變粒子組屬性 pMove（）//更新粒子位置 end for pDrawGroup(…)//繪制粒子end forother drawing…每顆粒子的生命周期或工作處理流程如圖 31 所示：湖 南 大 學 畢 業 設 計 (論 文 ) 第 11 頁湖南大學軟件學院圖 31 每顆粒子的生命圖 常見的粒子運動模型粒子運動中粒子產生的時候都具有一定的初始屬性，粒子作為質點，按照動力學的規律進行運動。以下是幾種常見的運動形式：（1） 直線運動。粒子的位置和速度變化遵循下面的原則（如公式（31） ）：P=P0+∫Vdt, V=V0+∫adt （31）其中 P 為粒子位置， P0 為粒子初始位置， V 為粒子速度，V0 為初始速度，a 為粒子加速度。（2） 阻尼運動。在當前運動方向上的粒子根據阻尼的作用，其速度根據某種比例減少，一般取值如公式（32）所示：V=V0（1d △t） （32）其中 d 為阻尼運動的阻尼因子，d=[0, 1] 。（3） 螺旋運動。螺旋運動能按照給頂軸進行旋轉，以產生粒子的翻滾等效果，使速度方向發生改變。（4） 反彈運動。反彈運動能改變粒子運動速度的大小與方向。對于無能量損失湖 南 大 學 畢 業 設 計 (論 文 ) 第 12 頁湖南大學軟件學院的反彈運動，類似于光的反射，如公式（33）所示：V0=V2（V0N）N （33）其中 N 為反射面的方法向量。 噴泉模擬的算法想要有好的模擬效果，首先要構造合適的坐標系。假想觀察者的視點位于屏幕正前方，以噴泉出水的管嘴的中心位置為 O，設置 X 軸正向沿從左至右的方向，Y 軸正向沿從下至上的方向，Z 軸正向為從里至外的方向。噴泉種類多樣，本文挑選出其中一些具有代表性的進行研究和模擬。下面以這樣的一個噴泉為例來說明模擬方法：這個噴泉是從以原點 O 為中心的管嘴中噴出水柱，經過兩次面反射之后落在水池之中。圖 32 描述了這個噴泉的大致形狀，其中虛線段表示的 σ1和 σ2平面為噴泉的反射面，他們的形狀和位置可以由用戶設置。目前反彈面的形狀可以設為矩形或者圓；粗實線表示噴泉水流的輪廓；最下方用實線表示的 σ0平面為水池表面。在這個例子中，σ1與 Y 軸交于原點 O，σ2 與 Y 軸交于 P1 點，σ0 與 Y 軸交于 P2 點。圖 32 噴泉形狀圖示 噴泉粒子初始化首先設定粒子的初始屬性，包括粒子的初始速度、初始位置以及顏色。將粒子的初始速度（Vx,Vy,Vz ）限制在一個圓柱環的域內，圓柱的軸平行