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圖形庫建立面向對象的三維圖形應用程序的開發(fā)環(huán)境，然后再利用各種計算過程生成模型中的各個體素，利用粒子系統(tǒng)建模的優(yōu)點，實現(xiàn)噴泉的模擬。
關鍵詞： 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、復雜性與隨機性，且隨著時間變化形狀會隨之變化，對其進行逼真的實時模擬十分困難，需要大量的計算量和數(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周圍環(huán)境的感知，所以開發(fā)一個既能滿足逼真度要求，又能實時顯示的粒子系統(tǒng)是非常必要的。自從OpenGL公布以來，有關圖形學方面的書籍、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算機圖形程序就成為眾多學者的追求目標。在Visual C++中，既可利用Win32編程，也可利用MFC編程，兩者各有特點，本文就如何利用Open GL在MFC中開發(fā)出一個簡單的噴泉模擬程序作一個簡單探討。
1 OpenGL繪圖環(huán)境初始化
　OpenGL是一個跨平臺的三維圖形庫，可在Windows、Unix和Mac等平臺上運行。而Visual C++完善的基本類庫MFC和應用向導AppWizard使得開發(fā)一個復雜的應用程序變得輕松自如。如果將兩者結合，便可開發(fā)出較高水平的Windows下三維圖形應用程序[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，它有自己的獨特設計，與Windows的圖像設備接口GDI模型以及多數(shù)MFC應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wiggle函數(shù)的前綴是“wgl”。
　在Win32下，首先必須重新設置畫圖窗口的像素格式，使其符合OpenGL對像素格式的需要。為此，聲明一個PIXELFORMATDESCRIPTOR結構的變量，并適當設置其結構成員的值，使其支持OpenGL及其顏色模式。再以此變量為參數(shù)調(diào)用ChoosePixelFormat（），分配一個像素格式號，然后調(diào)用SetPixelFormat（）將其設置為當前像素格式。
　完成了像素格式的重新設置后，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提供了幾個操作繪制描述表的函數(shù)，包括建立、復制、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，每一個線程必須使用一個RC作為當前RC才能執(zhí)行OpenGL繪圖原語。
　wglCreateContext（）是建立繪制描述表的函數(shù)，它以一個指向GDI設備描述表的句柄為參數(shù)，返回一個與此設備描述表相關聯(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單文檔應用程序框架
　使用Visual C++的AppWizard和Class Wizard可以很容易地生成一個使用MFC的OpenGL單文檔應用程序框架，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風格，確保成功地設置像素格式。
2.2 添加消息響應函數(shù)
　利用MFC ClassWizard為CMySDOpenGLView類添加消息WM_CREATE、WM_DESTROY、WM_SIZE和WM_TIMER的響應函數(shù)。
　首先在OnCreate方法中初始化OpenGL，并設置定時器。
　然后在OnTimer響應函數(shù)中添加定時器響應函數(shù)和場景更新命令，使得程序按照定時器設置的時間步長進行中斷，并調(diào)用OnDraw對場景進行更新、渲染。
　第三步，添加OnSize函數(shù)對用戶進行窗口調(diào)整的消息進行響應，并即時調(diào)整窗口的大小[5]。
　最后，當關閉窗口時，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)色板和定時器。
3 基于粒子系統(tǒng)的噴泉模擬
　構造可視化系統(tǒng)的建模技術大致可以分為兩類：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)結構等基本問題；行為建模處理物體運動和行為的描述。
一個粒子系統(tǒng)由大量稱為粒子的簡單體素構成。每個粒子有一組屬性，如位置、速度、顏色和生命期。一個粒子究竟有什么樣的屬性，主要取決于具體的應用。粒子的初值由隨機過程產(chǎn)生。粒子往往由位于空間的某個地方的粒子源產(chǎn)生。
　粒子系統(tǒng)也利用了隨機過程，并常將物體的幾何和行為組合在一個有機模型中。
一個粒子系統(tǒng)是不斷進化的。在生命期的每一刻，都要完成以下4步工作：
　（1）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過程控制。每個粒子都有一個生命期，如果某些粒子不應刪除，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動時，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時間步。
?。?）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，可以采用一個像素或小的多邊形來代表[6]。
3.1 粒子數(shù)據(jù)結構的定義
　粒子數(shù)據(jù)結構的定義如下：
struct particle
{
  float t； //粒子的生命期
  float vel； //粒子運動的速度
  float dir； //粒子運動的方向
  float x，y，z； //粒子的位置坐標
  float xd，zd； //粒子的X和Z方向增加值
  char type； //粒子類型（運動或淡化）
  float a； //淡化alpha值
  struct particle*next，*prev；
}；
3.2 繪制噴泉
3.2.1 先構造一個場景
　由于重點是噴泉，因此簡單構造一個模擬的地面能突出噴泉就可以了。實現(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[9]。
3.2.3 噴泉的實現(xiàn)
　在構造了簡單的地面場景后，取以原點為中心的圓周上的均勻點序列作為噴泉的噴射點，按照上述提到的繪制方法[10]即完成了噴泉的動態(tài)模擬。噴泉系統(tǒng)模擬的主要關鍵代碼在于向內(nèi)存中添加渲染粒子，即函數(shù)AddParticles（），之后粒子將按照預定的軌道運行，其主要實現(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
  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)為運動
  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)。噴泉的粒子流粗細可通過改變矢量的乘積來實現(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；”的結果。
　通過上述的試驗比較可知，噴泉粒子流的股數(shù)和每股粒子流的粒子數(shù)目都會影響到噴泉模擬效果的真實感[11]。
　越來越多的人注意到使用Visual C++和OpenGL開發(fā)三維圖形動畫軟件的有利之處，但是有關OpenGL的資料大多都是介紹基本的編程指南或者一些基礎的原理或方法，卻很少有大型的與應用有關的編程案例，而且有也大多都是基于Win32的類來實現(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下實現(xiàn)了一個簡單的噴泉模擬程序，主要的創(chuàng)新點是分析了MFC下消息響應的內(nèi)部機制，所以希望本次的探索能對以后利用MFC開發(fā)出更高效的程序有所幫助。
參考文獻
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