基于OpenGL 的雨雪場景仿真

張沛露

（吉林建筑大學電氣與計算機學院，長春 130011）

一、概述

伴隨著計算機硬件設備的發展和人們消費水平的提高，人們開始注重更多的視覺享受，提高視覺享受的前提就是給用戶最真實最完美的享受，此次設計研究的就是基于OpenGL 的雨雪場景仿真，這一研究可以利用到生活的很多部分。

目前雨雪場景仿真普遍的辦法是利用粒子系統在模擬雨雪粒子的前提下，引入天空盒技術，將視角移入類似盒子的空間。Skybox 是整個場景的一個包容，變現了幾何之外的世界。使用Skybox 模擬真實的場景，如廣闊的天空，高大雄偉的山脈。在空間的中央當做攝像頭的位置，通過鼠標的移動來完成視角的轉換。而針對雨雪的降落，采用渲染和材質等技術將雨雪做的更為逼真，應用了shader 技術，將雨粒子和雪粒子和天空盒著色。通過粒子系統對粒子隨機降落，大小更變達到雨雪遠近的效果，為了提高真實性，還將加入風的元素，通過改變風向來調節雨雪的方向，改變風的大小來達到雨雪被被風吹的效果，讓視覺體驗更完整。

二、需求分析

通過全面分析基于OpenGL 的雨雪仿真場景系統的各項需求，本系統利用OpenGL 這個圖形API 為基礎，實現雨雪場景的建模和基本圖形變換。

天空盒是一種常用的增加模擬性能的手段，它通常是利用相機包圍內附著一個紋理來完成的，紋理一般是一些云朵、山脈或湖泊等。天空盒的根本原則其實并不復雜，它相當于在視野范圍邊緣安裝了個盒子。盒子里有六個面，分別使用6 可以拼接在一起的圖片。從實現的角度理解，天空是第一個盒子拿著相機在同一位置，然后畫出盒子。

三、系統設計與分析

為了實現模擬要求，存儲器操作模塊和數組基本模塊組成完整的3D 效果模擬仿真的基本模塊。內存管理模塊負責監視，它模擬系統啟動時內存的處理情況和利用比率；數學基礎模塊內涵2D 和3D 的運算操作。

核心模塊雨系統的各個模塊皆有聯系，他是系統的總負責模塊，控制并操作系統。具有絕對的掌控權。它還有用戶與系統交互的責任，并提供用戶對其他功能的模塊的響應和傳輸。場景控制模塊主要控制場景的管理和操作。粒子系統模塊主要控制粒子的操作，包括粒子的初始化，粒子更新和粒子消亡。

系統處理流程包括以下幾個步驟：

①系統控制模塊將系統初始化；

②場景管理模塊搭建視點與視口，場景初級搭建；

③粒子系統管理模塊進行粒子生成以及粒子應有屬性；

④場景管理模塊將雨雪粒子運行在場景中，制造場景結點；

⑤圖形渲染模板通過OpenGL 對場景數據進行渲染操作。

粒子系統的理論和通識，每一個粒子的生命周期都包括生產，運動過程和消亡等幾個過程。粒子系統會有如下過程：

①產生新粒子并賦予屬性；

②除去已過生命周期的粒子；

③將仍存活的粒子進行更新和更新屬性操作；

④渲染系統中還在生命周期內的粒子。

四、系統實現

Skybox 是將一個正方體內部進行貼圖操作，一般由六個貼圖組成，達到場景在方塊盒中搭建，這樣會大大增加場景的真實性。由于天空盒實際上是立方體貼圖，因此加載天空盒和加載立方體貼圖的方式沒有什么不同。

粒子系統會隨機的生成雨雪粒子，并且初始化粒子的屬性，包括大小方向形狀和透明度等等，這些因素也都會因為粒子系統的隨機性而不斷改變，因此粒子系統在模擬無規則形狀的實體有很大優勢。總結而知，粒子系統最重要的是粒子的運行軌道，選擇合適的運動函數將會使渲染效果更真實完美。其次，坐標系的選擇（即視角）也有一定的關系。

結 語

本文以OpenGL 為基礎，采用了粒子系統的開發模式，完成了雨雪仿真系統的設計與實現。根據標準的開發工具需求，開發過程中必須使用OpenGL 圖形庫操作來完成，主要應用粒子系統來完成雨雪的模擬，應用天空盒技術來實現場景模型的搭建，還用到了渲染著色器貼圖等技術綜合完成，使得功能基本完善，畫面仿真度高。