摘  要： 粒子系統(tǒng)是模擬噴泉的一種有效方法,。首先使用Visual C++的基本類庫MFC和Open GL圖形庫建立面向?qū)ο蟮娜S圖形應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境，然后再利用各種計(jì)算過程生成模型中的各個(gè)體素,，利用粒子系統(tǒng)建模的優(yōu)點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)噴泉的模擬。
關(guān)鍵詞： 三維圖形編程,；OpenGL,；MFC類庫；粒子系統(tǒng)

　由于自然環(huán)境中大部分景物（如云彩,、火焰,、煙霧、瀑布,、雪花等特效）具有不規(guī)則性,、復(fù)雜性與隨機(jī)性，且隨著時(shí)間變化形狀會(huì)隨之變化,，對(duì)其進(jìn)行逼真的實(shí)時(shí)模擬十分困難，需要大量的計(jì)算量和數(shù)據(jù)量,。在虛擬環(huán)境中,，自然景物的視覺效果直接影響到觀察者對(duì)周圍環(huán)境的感知，所以開發(fā)一個(gè)既能滿足逼真度要求,，又能實(shí)時(shí)顯示的粒子系統(tǒng)是非常必要的,。自從OpenGL公布以來，有關(guān)圖形學(xué)方面的書籍,、論文等資料就層出不窮,，如何利用Open GL開發(fā)出具有一定水平的計(jì)算機(jī)圖形程序就成為眾多學(xué)者的追求目標(biāo)。在Visual C++中,，既可利用Win32編程,，也可利用MFC編程，兩者各有特點(diǎn),，本文就如何利用Open GL在MFC中開發(fā)出一個(gè)簡單的噴泉模擬程序作一個(gè)簡單探討,。
1 OpenGL繪圖環(huán)境初始化
　OpenGL是一個(gè)跨平臺(tái)的三維圖形庫,，可在Windows、Unix和Mac等平臺(tái)上運(yùn)行,。而Visual C++完善的基本類庫MFC和應(yīng)用向?qū)ppWizard使得開發(fā)一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序變得輕松自如,。如果將兩者結(jié)合，便可開發(fā)出較高水平的Windows下三維圖形應(yīng)用程序[1],。
　在3D游戲的渲染過程中,，傳統(tǒng)的建模方法一般只適用于外形比較規(guī)則的形體，對(duì)于那些像雨,、雪,、瀑布、噴泉以及火焰等沒有固定形狀,，甚至要隨著外部環(huán)境或者其他因素的改變而改變的物質(zhì)建模,，傳統(tǒng)的方法就顯得無能為力了[2]。1983年REEVES W T提出了一種新的建模方法,，稱為模糊物體建模,，該方法就是粒子系統(tǒng)，它的出現(xiàn)正好解決了上述問題[3],。
　OpenGL函數(shù)庫和操作系統(tǒng)無關(guān),，它有自己的獨(dú)特設(shè)計(jì)，與Windows的圖像設(shè)備接口GDI模型以及多數(shù)MFC應(yīng)用程序的建立方法不太一致,。在Windows系統(tǒng)中,，這樣的一組函數(shù)稱為wiggle函數(shù)，每個(gè)wiggle函數(shù)的前綴是“wgl”,。
　在Win32下,，首先必須重新設(shè)置畫圖窗口的像素格式，使其符合OpenGL對(duì)像素格式的需要,。為此,，聲明一個(gè)PIXELFORMATDESCRIPTOR結(jié)構(gòu)的變量，并適當(dāng)設(shè)置其結(jié)構(gòu)成員的值,，使其支持OpenGL及其顏色模式,。再以此變量為參數(shù)調(diào)用ChoosePixelFormat（），分配一個(gè)像素格式號(hào),，然后調(diào)用SetPixelFormat（）將其設(shè)置為當(dāng)前像素格式,。
　完成了像素格式的重新設(shè)置后，需要為OpenGL建立繪制描述表（Render Context）,。繪制描述表的作用類似于Windows中的設(shè)備描述表（Device Context）,。只有建立了繪制描述表RC后，OpenGL才能調(diào)用繪圖原語在窗口中做出圖形,。Win32API提供了幾個(gè)操作繪制描述表的函數(shù),，包括建立,、復(fù)制、使用,、刪除和查詢等,，它們都以wgl為詞頭。RC是以線程為單位的,，每一個(gè)線程必須使用一個(gè)RC作為當(dāng)前RC才能執(zhí)行OpenGL繪圖原語,。
　wglCreateContext（）是建立繪制描述表的函數(shù)，它以一個(gè)指向GDI設(shè)備描述表的句柄為參數(shù),，返回一個(gè)與此設(shè)備描述表相關(guān)聯(lián)的繪制描述表句柄,。在以此2句柄為參數(shù)調(diào)用函數(shù)wglMakeCurrent（），使RC成為線程當(dāng)前使用的RC,，完成Windows下OpenGL繪圖環(huán)境的初始化過程[4],。
2 建立OpenGL單文檔應(yīng)用程序框架
　使用Visual C++的AppWizard和Class Wizard可以很容易地生成一個(gè)使用MFC的OpenGL單文檔應(yīng)用程序框架，名稱為MyFountain,。
2.1 PreCreateWindow方法
　BOOL CMySDOpenGLView：： PreCreateWindow（CREATESTRUCT& cs）
{
cs.style|=WS_CLIPCHILDREN|WS_CLIPSIBLINGS,；
return CView：：PreCreateWindow（cs）；
}
　使視窗口具有WS_CLIPCHILDREN和WS_CLIPSIBLINGS風(fēng)格,，確保成功地設(shè)置像素格式,。
2.2 添加消息響應(yīng)函數(shù)
　利用MFC ClassWizard為CMySDOpenGLView類添加消息WM_CREATE、WM_DESTROY,、WM_SIZE和WM_TIMER的響應(yīng)函數(shù),。
　首先在OnCreate方法中初始化OpenGL，并設(shè)置定時(shí)器,。
　然后在OnTimer響應(yīng)函數(shù)中添加定時(shí)器響應(yīng)函數(shù)和場景更新命令,，使得程序按照定時(shí)器設(shè)置的時(shí)間步長進(jìn)行中斷，并調(diào)用OnDraw對(duì)場景進(jìn)行更新,、渲染,。
　第三步，添加OnSize函數(shù)對(duì)用戶進(jìn)行窗口調(diào)整的消息進(jìn)行響應(yīng),，并即時(shí)調(diào)整窗口的大小[5]。
　最后,，當(dāng)關(guān)閉窗口時(shí),，將值NULL（或0）賦值給wglMakeCurrent（）的參數(shù)hRC后，調(diào)用wglDeleteContext（）刪除繪制描述表,，并刪除調(diào)色板和定時(shí)器,。
3 基于粒子系統(tǒng)的噴泉模擬
　構(gòu)造可視化系統(tǒng)的建模技術(shù)大致可以分為兩類：幾何建模和行為建模。幾何建模處理物體的幾何和形狀的表示,，研究圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基本問題,；行為建模處理物體運(yùn)動(dòng)和行為的描述,。
一個(gè)粒子系統(tǒng)由大量稱為粒子的簡單體素構(gòu)成。每個(gè)粒子有一組屬性,，如位置,、速度、顏色和生命期,。一個(gè)粒子究竟有什么樣的屬性,，主要取決于具體的應(yīng)用。粒子的初值由隨機(jī)過程產(chǎn)生,。粒子往往由位于空間的某個(gè)地方的粒子源產(chǎn)生,。
　粒子系統(tǒng)也利用了隨機(jī)過程，并常將物體的幾何和行為組合在一個(gè)有機(jī)模型中,。
一個(gè)粒子系統(tǒng)是不斷進(jìn)化的,。在生命期的每一刻，都要完成以下4步工作：
?。?）粒子源產(chǎn)生新粒子,。產(chǎn)生任意數(shù)目的新粒子，它們的初始屬性由隨機(jī)過程控制,。每個(gè)粒子都有一個(gè)生命期,，如果某些粒子不應(yīng)刪除，則可以賦予它無限長的生命期,。
?。?）更新現(xiàn)有粒子屬性。例如,，若粒子有位置和速度屬性,，在模擬重力場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以如下更新粒子的位置和速度屬性：
v=v+gts=s+vt
在該步中,，粒子的生命期遞減一個(gè)時(shí)間步,。
　（3）刪除“死”粒子,。檢查粒子的生命期,，若為0則將粒子從系統(tǒng)中刪除。
?。?）繪制粒子,。顯示粒子系統(tǒng)中所有現(xiàn)存的粒子。
在一般情況下,，粒子的幾何特征十分簡單,，可以采用一個(gè)像素或小的多邊形來代表[6]。
3.1 粒子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義
　粒子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義如下：
struct particle
{
  float t,； //粒子的生命期
  float vel,； //粒子運(yùn)動(dòng)的速度
  float dir,； //粒子運(yùn)動(dòng)的方向
  float x，y,，z,； //粒子的位置坐標(biāo)
  float xd，zd,； //粒子的X和Z方向增加值
  char type,； //粒子類型（運(yùn)動(dòng)或淡化）
  float a； //淡化alpha值
  struct particle*next,，*prev,；
}；
3.2 繪制噴泉
3.2.1 先構(gòu)造一個(gè)場景
　由于重點(diǎn)是噴泉,，因此簡單構(gòu)造一個(gè)模擬的地面能突出噴泉就可以了,。實(shí)現(xiàn)代碼如下：
　glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）；
　glLoadIdentity（）,；
　glBindTexture（GL_TEXTURE_2D,，texture[1]）；
　a+=0.2,；
　gluLookAt（cam.x,，cam.y，cam.z,，0,，0，0,，upv.x,，upv.y， upv.z）,；
3.2.2 噴泉的渲染處理
　噴泉的渲染處理過程主要是利用了OpenGL的特征函數(shù)[7]和方法,，主要進(jìn)行了兩方面的處理：（1）將噴泉模型渲染成紋理文件[8]；（2）采用透明紋理渲染技術(shù)[9],。
3.2.3 噴泉的實(shí)現(xiàn)
　在構(gòu)造了簡單的地面場景后,，取以原點(diǎn)為中心的圓周上的均勻點(diǎn)序列作為噴泉的噴射點(diǎn)，按照上述提到的繪制方法[10]即完成了噴泉的動(dòng)態(tài)模擬,。噴泉系統(tǒng)模擬的主要關(guān)鍵代碼在于向內(nèi)存中添加渲染粒子,，即函數(shù)AddParticles（），之后粒子將按照預(yù)定的軌道運(yùn)行,，其主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：
    //添加新的粒子
void CMyFountainView：：AddParticles（）
{
struct particle*tempp；
int i,， j,；

for （j=0,；j<18；j++）
 for （i=0,；i<2,；i++）
 {
  tempp=（struct particle*）malloc（sizeof（struct particle））；
  if （fn[j]）fn[j]->prev=tempp,；
  tempp->next=fn[j],；
  fn[j]=tempp；
 
  tempp->t=-9.9,；  //粒子的生命期
  tempp->v=（float）（rand（）%200000）/100000+1,；
 // 粒子速度
  tempp->d=（float）（rand（）%400）/100-2；
//粒子方向
  tempp->x=20*cos（（j*3.14159）/180）,；       //開始位置的坐標(biāo)
  tempp->y=0,；
  tempp->z=20*sin（（j*3.14159）/180）；
  tempp->xd=cos（（tempp->d*3.14159）/180）*tempp->v/4,；
  tempp->zd=sin（（tempp->d*3.14159）/180）*tempp->v,；
  tempp->type=0； //粒子狀態(tài)為運(yùn)動(dòng)
  tempp->a=1,； //粒子淡化
 }
}
　噴泉的效果顯示如圖1所示,。

　通過改變程序中alpha（圓的內(nèi)接正多邊形圓心角）的值，可以改變噴泉粒子流的股數(shù),。噴泉的粒子流粗細(xì)可通過改變矢量的乘積來實(shí)現(xiàn),，通過改變“vectl.x*=5；vectl.y*=5,；vectl.z*=5,；”等式右邊的數(shù)值可以控制，圖1就是改為“5,；3,；2；”的結(jié)果,。
　通過上述的試驗(yàn)比較可知,，噴泉粒子流的股數(shù)和每股粒子流的粒子數(shù)目都會(huì)影響到噴泉模擬效果的真實(shí)感[11]。
　越來越多的人注意到使用Visual C++和OpenGL開發(fā)三維圖形動(dòng)畫軟件的有利之處,，但是有關(guān)OpenGL的資料大多都是介紹基本的編程指南或者一些基礎(chǔ)的原理或方法,，卻很少有大型的與應(yīng)用有關(guān)的編程案例，而且有也大多都是基于Win32的類來實(shí)現(xiàn)一些簡單的圖形功能,，介紹MFC與OpenGL連接的資料卻少之又少,，本文主要是在MFC下實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的噴泉模擬程序，主要的創(chuàng)新點(diǎn)是分析了MFC下消息響應(yīng)的內(nèi)部機(jī)制，所以希望本次的探索能對(duì)以后利用MFC開發(fā)出更高效的程序有所幫助,。
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