摘  要: 對煙花粒子系統(tǒng)模型和燃放原理進行了詳細(xì)的分析,在VC++和OpenGL開發(fā)工具基礎(chǔ)上,利用紋理映射、色彩混合等技術(shù)對動態(tài)煙花進行仿真模擬。加入了音頻技術(shù),并通過鼠標(biāo)注冊回調(diào)函數(shù)對煙花燃放的位置加以控制。實驗結(jié)果表明,煙花模型的實時性逼真性、可控性和靈活性得以加強。
關(guān)鍵詞: 粒子系統(tǒng);位置可控;音頻效果

　1983年,由REEVES W T等人提出的粒子系統(tǒng)繪制算法被認(rèn)為是迄今為止模擬不規(guī)則模糊物體最為成功的算法[1],使得具有不規(guī)則幾何形狀、內(nèi)在不確定性且運動具有隨機性的模糊物體的虛擬仿真模擬上了一個新的臺階。目前,國內(nèi)已經(jīng)有很多研究者采用粒子系統(tǒng)對自然景物進行成功模擬,如王曉娟對禮花進行了模擬[2],肖何等人成功地進行了噴泉仿真[3]。本文在以上理論的基礎(chǔ)上,通過VC++和OpenGL開發(fā)工具,利用鼠標(biāo)注冊回調(diào)等函數(shù)[4]對煙花燃放的位置加以控制,并加入了音頻技術(shù),從視覺和聽覺兩個方面上進一步增強了煙花爆炸模擬的靈活性、逼真性和沉浸感。
1 粒子系統(tǒng)基本原理
　粒子系統(tǒng)不是一個簡單的靜態(tài)模型,而是一種過程計算模型。粒子系統(tǒng)是由許多簡單形狀的微小粒子(如球體、橢球、立方體、點、線等)作為基本元素聚集起來形成一個不規(guī)則的模糊物體,并以這些粒子充滿物體,使其呈現(xiàn)各式各樣的形狀,從而構(gòu)成的一個封閉的系統(tǒng)。
組成粒子系統(tǒng)的每個粒子都有一組屬性,包括位置、運動速度、運動加速度、形狀、大小、顏色、透明度、運動方向和生命周期等,這些屬性隨著時間的推移在不斷地變化。一個粒子究竟有什么樣的屬性主要取決于其實現(xiàn)的具體應(yīng)用。
　一般情況下,系統(tǒng)中的每個粒子都會隨著虛擬世界時間的流逝經(jīng)歷一個產(chǎn)生—活動—消亡3個階段的流程[5],如圖1所示。

2 煙花粒子系統(tǒng)建模
2.1 建立坐標(biāo)系
　本文建立的坐標(biāo)系以屏幕的中心為坐標(biāo)原點,從左到右的方向為X軸的正方向,從下到上為Y軸的正方向,從屏幕里面指向外面的方向為Z軸正方向[6]。
2.2 煙花及粒子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
　煙花粒子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:
　typedef struct
　{
        GLfloat    x,y,z;    //粒子位置
        GLfloat    xSpeed,ySpeed,zSpeed;    //粒子的速度
        GLfloat    xg,yg,zg;//粒子的運動加速度
        GLfloat    r,g,b;    //粒子的顏色
}PARTICLES;//粒子
煙花則是由一組具有相似性質(zhì)的煙花粒子組成的,其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:
typedef struct
{
      PARTICLES particle[MAX_PARTICLES][MAX_TAIL];
      GLfloat life,fade,rad;
}Fire;//煙花
2.3 煙花粒子系統(tǒng)的初始化
　煙花粒子系統(tǒng)的初始化就是賦予煙花粒子屬性初始狀態(tài)。在煙花系統(tǒng)中,每個煙花由一組具有相似性質(zhì)的煙花粒子組成,每一幀煙花的更新就是這組煙花粒子的更新。這里把每組粒子數(shù)定義為一個常數(shù)MAX_PARTICLES,這個常數(shù)的選擇很重要[7],如果過大,會影響系統(tǒng)的實時性;如果過小,則會影響煙花模擬的真實性。
　#define MAX_PARTICLES 96 //煙花小粒子個數(shù)
　#define MAX_TAIL 30 //煙花尾部的長度
　通過隨機函數(shù)rand()和參數(shù)控制煙花的初始位置、初始顏色、速度、加速度、生命周期及衰減速率。其中,　顏色的初始化可以在模型中定義各種顏色到一個顏色數(shù)組中,然后通過隨機函數(shù)rand()調(diào)用。粒子的運動受到各種外力的影響,包括重力和空氣阻力等,在本實驗中,只考慮垂直方向重力所產(chǎn)生的加速度。
　fire.life=1.0f;
　fire.rad=rand()%K1+P1;   //K1、P1為參數(shù)
　fire.fade=(float)(rand()%K2)/K3+P2;
　　　//K2、K3、P1為參數(shù)
2.4 煙花粒子的運動更新
　煙花粒子運動更新是整個煙花系統(tǒng)中最重要的組成部分,就是確定每一時刻當(dāng)前粒子的運動狀態(tài),包括該時刻粒子的位置、速度和生命值等各種屬性值。而這些屬性又是由上一幀屬性狀態(tài)和運動的規(guī)律決定的。粒子下一幀的位置為:

3 位置可控?zé)熁M
　OpenGL應(yīng)用工具包GLUT中封裝有鼠標(biāo)消息注冊回調(diào)函數(shù),利用此函數(shù)可以很好地控制煙花的位置,從而進一步增強煙花模擬的可控性和靈活性。
　鼠標(biāo)的按下、松開或移動等操作都可以產(chǎn)生相應(yīng)的鼠標(biāo)消息,這些消息在應(yīng)用程序開發(fā)中出現(xiàn),常常需要處理。GLUT對這幾種常用的鼠標(biāo)消息進行了封裝,glutMontionFunc(void(*func)(int button,int state,int x,int y))可以實現(xiàn)對鼠標(biāo)左鍵、右鍵或中鍵的按下、松開等操作的消息響應(yīng)。其中,button是左鍵、右鍵和中鍵的標(biāo)志,state是按下、松開的標(biāo)志。
　用鼠標(biāo)單擊屏幕,系統(tǒng)把單擊的位置傳送給鼠標(biāo)消息注冊回調(diào)函數(shù)glutMontionFunc(mouseFunc),通過一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換生成最終需要的OpenGL坐標(biāo),然后煙花在此位置上發(fā)生爆炸。主要實現(xiàn)的代碼如下:
GLdouble w [3]={0};//最終的OpenGL坐標(biāo)
GLint viewport[4];
    GLdouble mv[16],proj[16];
GLfloat winX,winY,winZ;//視景體坐標(biāo)及深度坐標(biāo)
glPushMatrix();
glGetIntegerv(GL_VIEWPORT,viewport);    
//取得當(dāng)前視口的狀態(tài)值
glGetDoublev(GL_MODELVIEW_MATRIX,mv);
//取得當(dāng)前模型視點的最大值
glGetDoublev(GL_PROJECTION_MATRIX,proj);
//取得當(dāng)前投影的最大值
glPopMatrix();
winX=x;
winY=viewport[3]-y;
glReadPixels(winX,winY,1,1,GL_DEPTH_COMPONENT,GL_FLOAT,&winZ);
gluUnProject(winX,winY,winZ,mv,proj,viewport,w,w+1,w+2);//取得最終的OpenGL坐標(biāo)
4 音頻與煙花爆炸同步
　OpenGL本身不支持音頻,本文使用了Win32的API函數(shù)庫中的PlaySound(LPCSTR pszSound,HMODULE hmod,DWORD fdwSound)函數(shù)實現(xiàn)音頻與煙花爆炸的同步。引入windows.h頭文件(#include<windows.h>),后面加上如下代碼:
　#include<mmsystem.h>
　#pragma comment(lib,＂WINMM.LIB＂)
　PlaySound(LPCSTR pszSound,HMODULE hmod,DWORD fdwSound)只能實現(xiàn)WAV格式的文件,其他音頻文件可以通過別的軟件進行剪切并轉(zhuǎn)化為WAV格式。參數(shù)pszSound是指定了要播放聲音的字符串,本實驗中設(shè)為WAVE文件的名字;參數(shù)fdwSound是標(biāo)志的組合,為實現(xiàn)同步和引入音頻文件,將其設(shè)為SND_FILENAME| SND_SYNC。主要實現(xiàn)的代碼如下:
　if(button==GLUT_LEFT_BUTTON&&action==GLUT_DOWN)
　{
　獲取鼠標(biāo)點擊的位置
　繪制煙花的代碼
　PlaySound(＂煙花聲音.wav＂,NULL,SND_ASYNC|SND_FILENAME);
　}
5 實驗結(jié)果評估與分析
　實驗利用粒子系統(tǒng)對煙花生成的過程進行仿真,應(yīng)用了OpenGL的紋理映射、色彩混合、顯示列表、加入背景圖片、插入音頻和控制位置等技術(shù),結(jié)果如圖3所示。圖3是運用可以截取鼠標(biāo)位置的紅蜻蜓截圖工具截取的實驗結(jié)果圖片,從圖中可以清晰地看見在鼠標(biāo)的位置上煙花發(fā)生了爆炸。

　運用粒子系統(tǒng)對不規(guī)則模糊物體進行模擬是一個有效的方法。本實驗從系統(tǒng)的實時性、簡單性、靈活性和逼真性角度出發(fā)實現(xiàn)了煙花模型模擬,采用了紋理映射和顯示列表技術(shù),提高了系統(tǒng)的實時性;采用了色彩融合技術(shù),增強了系統(tǒng)的逼真性;加入了背景圖,提高了模擬的真實感;通過提取鼠標(biāo)位置,實現(xiàn)了對煙花爆炸位置的控制,增強了系統(tǒng)的靈活性;加入了音頻技術(shù),實現(xiàn)煙花爆炸和聲音的同步,增強了系統(tǒng)的沉浸感。
參考文獻
[1] REEVES W T. Particle systems-a technique for modeling a class of fuzzy objects[J].  Computer Graphics,1983,17(3):359-376.    
[2] 王曉娟.基于粒子系統(tǒng)動態(tài)煙花的模擬[J].青海大學(xué)學(xué)報,2009(4):29-32.
[3] 肖何,何明耘,白忠建.OpenGL中基于粒子系統(tǒng)的噴泉模擬實現(xiàn)[J].計算機仿真,2007(12):201-204.
[4] SHREINER D.OpenGL編程指南[M].李軍,徐波,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2010.
[5] 葛芳,張成,韋穗,等.基于粒子系統(tǒng)的煙花動畫設(shè)計[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2010,20(8):180-183.
[6] 汪繼文,胡文平,金余鋒.基于粒子系統(tǒng)的8字動態(tài)煙花仿真[J].計算機仿真,2010,27(10):211-214.
[7] 丁紀(jì)云,陳利平,李思昆.基于OpenGL的煙花動態(tài)模擬方法的研究與實現(xiàn)[J].計算機工程,2002,20(4):233-250.