基于OpenGL的粒子系統的研究與實現

湖北工業大學 劉宏

基于OpenGL的粒子系統的研究與實現

湖北工業大學 劉宏

本文設計了基于OpenGL粒子系統的噴泉模型，詳細討論了模型中粒子的屬性及其變化，實現了具有較強真實感的動態變化和拋物變化等噴泉特征，采用了紋理映射和視線跟蹤技術進行三維噴泉渲染；同時，采用Line方式取代傳統的 Point方式渲染粒子實現噴泉模擬。該方式模擬噴泉比較真實，速度快，在普通的微機上可以得到令人滿意的效果。

粒子系統；噴泉

隨著計算機仿真技術的不斷提高，人們對真實事物的模擬要求越來越高，模擬技術的重要性越來越突出，尤其在3D游戲、軍事演習和仿真實驗等方面。而尋求能準確地描述客觀世界中各種現象與景觀的數學模型，并逼真地再現這些現象與景觀，是計算機圖形學的一個重要研究課題。

粒子系統[1]到底是什么？所謂的粒子系統，就是將人們看到的物體運動和自然現象，用一系列運動的粒子來描述，再將這些粒子運動的軌跡映射到顯示屏上，在顯示屏上看到的就是物體運動和自然現象的模擬效果了。

利用粒子系統，可以在屏幕中表現諸多的特殊效果，如：焰火、火苗、落葉、雪花飛舞等。不怕做不到，就怕想不到。只要你的想象力足夠豐富，就可以創造出意想不到的奇跡來。

在現實世界中，所有的物體都具有三維特征，但計算機本身只能處理數字，顯示二維的圖形，將三維物體及二維數據聯系在一起的唯一紐帶就是坐標。

為了使被顯示的三維物體數字化，要在被顯示的物體所在的空間中定義一個坐標系。這個坐標系的長度單位和坐標軸的方向要適合對被顯示物體的描述，這個坐標系稱為世界坐標系。世界坐標系是始終固定不變的。OpenGL還定義了局部坐標系的概念，所謂局部坐標系，也就是坐標系以物體的中心為坐標原點，物體的旋轉或平移等操作都是圍繞局部坐標系進行的，這時，當物體模型進行旋轉或平移等操作時，局部坐標系也執行相應的旋轉或平移操作。需要注意的是，如果對物體模型進行縮放操作，則局部坐標系也要進行相應的縮放，如果縮放比例在各坐標軸上不同，那么再經過旋轉操作后，局部坐標軸之間可能不再相互垂直。無論是在世界坐標系中進行轉換還是在局部坐標系中進行轉換，程序代碼是相同的，只是不同的坐標系考慮的轉換方式不同罷了。計算機對數字化的顯示物體作了加工處理后，要在圖形顯示器上顯示，這就要在圖形顯示器屏幕上定義一個二維直角坐標系，這個坐標系稱為屏幕坐標系。這個坐標系坐標軸的方向通常取成平行于屏幕的邊緣，坐標原點取在左下角，長度單位常取成一個像素。

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ParticleSystemAPI。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5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。

下面我們將介紹基于OpenGL的粒子系統的開發環境：本系統是在visualC++6.0下實現的，采用OpenGL技術，并且是基于MFC框架下實現的。

本文闡述了基于OpenGl的粒子系統的模擬實現，首先介紹了圖形學的發展以及OpenGL概述，通過對OpenGL場景坐標系和投影基礎知識的介紹，讓我們對圖形學和OpenGL有了一個宏觀全面的認識和理解，在理解的基礎上，我們設計并實現了一個基于OpenGL的噴泉粒子系統模型，在設計過程中，詳細地給出了粒子系統的算法設計、粒子的初始化、粒子的運動軌跡、粒子的消亡以及粒子的生成，并分析了紋理映射技術在粒子系統中的最重要作用。

[1]Reeves,William T..Particle Systems--Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects[A].SIGGRAPH Proceeding[C],1983.

[2]Karl Sims.Particle Animation and Rendering Using Data Parallel Computation[J].Computer Graphics,24(4):405-413,1990.

[3]IanBuck.Data Parallel Computing on Graphics Hardware.Stanford University,2003.

[4]Lutz Latta.Building a Million Particle System[A].Game Developers Conference[C],2004.

2017-10-10）