摘  要: 對(duì)煙花粒子系統(tǒng)模型和燃放原理進(jìn)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(duì)動(dòng)態(tài)煙花進(jìn)行仿真模擬。加入了音頻技術(shù),并通過鼠標(biāo)注冊(cè)回調(diào)函數(shù)對(duì)煙花燃放的位置加以控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,煙花模型的實(shí)時(shí)性逼真性、可控性和靈活性得以加強(qiáng)。
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(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)性的模糊物體的虛擬仿真模擬上了一個(gè)新的臺(tái)階。目前,國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多研究者采用粒子系統(tǒng)對(duì)自然景物進(jìn)行成功模擬,如王曉娟對(duì)禮花進(jìn)行了模擬[2],肖何等人成功地進(jìn)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(cè)回調(diào)等函數(shù)[4]對(duì)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(gè)方面上進(jìn)一步增強(qiáng)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(gè)簡(jiǎn)單的靜態(tài)模型,而是一種過程計(jì)算模型。粒子系統(tǒng)是由許多簡(jiǎn)單形狀的微小粒子(如球體、橢球、立方體、點(diǎn)、線等)作為基本元素聚集起來形成一個(gè)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(gè)封閉的系統(tǒng)。
組成粒子系統(tǒng)的每個(gè)粒子都有一組屬性,包括位置、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度、形狀、大小、顏色、透明度、運(yùn)動(dòng)方向和生命周期等,這些屬性隨著時(shí)間的推移在不斷地變化。一個(gè)粒子究竟有什么樣的屬性主要取決于其實(shí)現(xiàn)的具體應(yīng)用。
　一般情況下,系統(tǒng)中的每個(gè)粒子都會(huì)隨著虛擬世界時(shí)間的流逝經(jīng)歷一個(gè)產(chǎn)生—活動(dòng)—消亡3個(gè)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(diǎn),從左到右的方向?yàn)閄軸的正方向,從下到上為Y軸的正方向,從屏幕里面指向外面的方向?yàn)閆軸正方向[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(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)常數(shù)MAX_PARTICLES,這個(gè)常數(shù)的選擇很重要[7],如果過大,會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性;如果過小,則會(huì)影響煙花模擬的真實(shí)性。
　#define MAX_PARTICLES 96 //煙花小粒子個(gè)數(shù)
　#define MAX_TAIL 30 //煙花尾部的長(zhǎng)度
　通過隨機(jī)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(gè)顏色數(shù)組中,然后通過隨機(jī)函數(shù)rand()調(diào)用。粒子的運(yùn)動(dòng)受到各種外力的影響,包括重力和空氣阻力等,在本實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)更新
　煙花粒子運(yùn)動(dòng)更新是整個(gè)煙花系統(tǒng)中最重要的組成部分,就是確定每一時(shí)刻當(dāng)前粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),包括該時(shí)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(yùn)動(dòng)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(cè)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(jìn)一步增強(qiáng)煙花模擬的可控性和靈活性。
　鼠標(biāo)的按下、松開或移動(dòng)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(duì)這幾種常用的鼠標(biāo)消息進(jìn)行了封裝,glutMontionFunc(void(*func)(int button,int state,int x,int y))可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)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(shí)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(diǎn)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(kù)中的PlaySound(LPCSTR pszSound,HMODULE hmod,DWORD fdwSound)函數(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)WAV格式的文件,其他音頻文件可以通過別的軟件進(jìn)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(shí)驗(yàn)中設(shè)為WAVE文件的名字;參數(shù)fdwSound是標(biāo)志的組合,為實(shí)現(xiàn)同步和引入音頻文件,將其設(shè)為SND_FILENAME| SND_SYNC。主要實(shí)現(xiàn)的代碼如下:
　if(button==GLUT_LEFT_BUTTON&&action==GLUT_DOWN)
　{
　獲取鼠標(biāo)點(diǎn)擊的位置
　繪制煙花的代碼
　PlaySound(＂煙花聲音.wav＂,NULL,SND_ASYNC|SND_FILENAME);
　}
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估與分析
　實(shí)驗(yàn)利用粒子系統(tǒng)對(duì)煙花生成的過程進(jìn)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(yùn)用可以截取鼠標(biāo)位置的紅蜻蜓截圖工具截取的實(shí)驗(yàn)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(yùn)用粒子系統(tǒng)對(duì)不規(guī)則模糊物體進(jìn)行模擬是一個(gè)有效的方法。本實(shí)驗(yàn)從系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、簡(jiǎn)單性、靈活性和逼真性角度出發(fā)實(shí)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(shí)時(shí)性;采用了色彩融合技術(shù),增強(qiáng)了系統(tǒng)的逼真性;加入了背景圖,提高了模擬的真實(shí)感;通過提取鼠標(biāo)位置,實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙花爆炸位置的控制,增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性;加入了音頻技術(shù),實(shí)現(xiàn)煙花爆炸和聲音的同步,增強(qiáng)了系統(tǒng)的沉浸感。
參考文獻(xiàn)
[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(dòng)態(tài)煙花的模擬[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào),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(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2007(12):201-204.
[4] SHREINER D.OpenGL編程指南[M].李軍,徐波,譯.北京:機(jī)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(dòng)畫設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)煙花仿真[J].計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)模擬方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2002,20(4):233-250.