【正文】 姓名班級(jí)學(xué)號(hào)姓名班級(jí)發(fā)題日期2010 年 9 月 6 日完成日期2011 年 12 月 31 日題目基于OpenGL的雪粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)習(xí)目標(biāo)、任務(wù)及主要內(nèi)容采用常規(guī)的曲面來(lái)表達(dá)焰火、云、煙等非常不規(guī)則的自然界形體是很困難的事情，這些自然界形體外觀形狀極其不規(guī)則，常常帶有很大的隨機(jī)性，并可能不斷發(fā)生變化，而粒子系統(tǒng)可以對(duì)樹(shù)、云、火焰等進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模和繪制。技術(shù)路線VC++，OpenGL指導(dǎo)教師提供的資料計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)參考資料； 粒子系統(tǒng)相關(guān)參考資料； OpenGL相關(guān)參考資料。因此，這些自然景物的模擬相對(duì)比較困難，需要借助粒子系統(tǒng)建模使其充分體現(xiàn)自然景觀中模糊物體的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性，以便達(dá)到良好的模擬效果。(2) 簡(jiǎn)化雪景的數(shù)學(xué)模型，總結(jié)出雪粒子系統(tǒng)模型。它在雪花粒子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)交互性、數(shù)據(jù)處理以及其他功能。在虛擬場(chǎng)景的研究中，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(duì)于雨、雪瀑布、噴泉等沒(méi)有固定形狀，甚至隨著外部環(huán)境或者其他因素的改變而改變的物質(zhì)建模，傳統(tǒng)的方法就無(wú)能為力了。粒子系統(tǒng)能充分體現(xiàn)出不規(guī)則模糊物體的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性，主要優(yōu)點(diǎn)是可以利用非常簡(jiǎn)單的元素來(lái)構(gòu)造復(fù)雜的物體，它為雨、雪、噴泉、瀑布、草地等自然景觀的造型功能提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。VR系統(tǒng)在若干領(lǐng)域的成功應(yīng)用，導(dǎo)致了它在90年代的興起。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為人們提供了一種理想的教學(xué)手段，目前己被廣泛應(yīng)用在軍事教學(xué)、體育訓(xùn)練和醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)中，對(duì)于第一次走上手術(shù)臺(tái)的醫(yī)生來(lái)說(shuō)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助，他們可以在顯示器上一遍一遍的模擬手術(shù)，移動(dòng)人體內(nèi)的器官，尋找最佳手術(shù)方案，這種模擬器顯示的人體結(jié)構(gòu)可以達(dá)到亂真的程度。再如，美國(guó)宇航局Ames研究中心的科學(xué)家將探索的火星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到了火星的虛擬現(xiàn)實(shí)圖像，研究人員可以看到全方位的火星表面景象:高山、平川、河流、以及縱橫的溝壑里被風(fēng)化的斑斑的巨石，都顯得十分清晰逼真，而且不論你從哪個(gè)方向看這些圖，視野中的景象都會(huì)隨著你的頭的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變，就好像真的置身于火星上漫游。可視化仿真技術(shù)的目標(biāo)是把由數(shù)值計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得的大量數(shù)據(jù)按照其自身的物理背景進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，用圖像的方式來(lái)展示數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的內(nèi)容和相互關(guān)系，便于把握過(guò)程的整體演進(jìn)，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在規(guī)律，豐富科學(xué)研究的途徑，縮短研究周期。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要內(nèi)容是:實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)，以及高分辨顯示技術(shù)。進(jìn)而得出了粒子系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了雪景的數(shù)學(xué)模型，總結(jié)出了雪景和噴泉的粒子系統(tǒng)模型。對(duì)于不同的閱讀用戶我們提出了不同的建議如下：使用用戶：通過(guò)該問(wèn)題了解系統(tǒng)的背景及操作方法系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員：這是一款初學(xué)者做的雪花粒子系統(tǒng)，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)我們可以了解粒子系統(tǒng)的創(chuàng)建流程及控制機(jī)制，系統(tǒng)信息與OPenGL的語(yǔ)言的響應(yīng)關(guān)系及系統(tǒng)的編寫(xiě)過(guò)程中的各種細(xì)節(jié)流程，是一款不錯(cuò)的粒子系統(tǒng)使用實(shí)例。但最后這兩種輸將將經(jīng)過(guò)相同的處理步驟——光柵化和片元操作，然后得到的像素?cái)?shù)據(jù)被寫(xiě)入到幀緩存中。(2) 求值程序求值程序提供了一種根絕控制點(diǎn)導(dǎo)出描述曲面的頂點(diǎn)的叫多項(xiàng)式映射(Polynomial Mapping)的方法，可以根據(jù)控制點(diǎn)生成紋理坐標(biāo)、顏色值和空間坐標(biāo)值。(4) 圖元裝配圖元裝配的主要任務(wù)是刪除集合體中位于半空間之外的部分，半空間由一個(gè)平面定義。每個(gè)片元都對(duì)應(yīng)用于幀緩存中的一個(gè)像素。第一個(gè)操作可以是紋理映射，接下來(lái)執(zhí)行霧計(jì)算，然后是裁剪測(cè)試、alpha測(cè)試、模板測(cè)試和深度測(cè)試，之后執(zhí)行混合、抖動(dòng)、邏輯運(yùn)算和屏蔽。本課題研究的3D特效粒子系統(tǒng)主要用于常見(jiàn)自然景物（雪花、噴泉）的模擬，需要具備以下幾點(diǎn)特性：(1) 場(chǎng)景逼真性真實(shí)感和逼真性是三維物體建模和自然景物模擬最基本和重要的特性，也是該系統(tǒng)的最基本要求。(3) 用戶交互性粒子系統(tǒng)中任一參數(shù)的改變都將可能對(duì)最終的粒子模擬效果產(chǎn)生極大的影響，同時(shí)由于粒子系統(tǒng)的特殊性，存在眾多的參數(shù)設(shè)置，用戶往往不能在預(yù)操作時(shí)期一次性的通過(guò)參數(shù)設(shè)置是模擬效果達(dá)到所需的最佳狀態(tài)。 運(yùn)行環(huán)境 硬件：PC機(jī)，P4 ，512M內(nèi)存，40G硬盤(pán)，支持OPenGL的獨(dú)立顯卡或圖形加速器。l 磁盤(pán)空間，只需要10MB即可進(jìn)行運(yùn)行。在虛擬場(chǎng)景中，自然景物的模擬一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。本文結(jié)合這一實(shí)際情況，以前人的研究工作為背景和基礎(chǔ)，以真實(shí)感和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性以及友好的人機(jī)交互性為目標(biāo)，在深入分析粒子系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上，結(jié)合Windows 7操作系統(tǒng)和Microsoft VC++編譯環(huán)境為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于OpenGL圖形庫(kù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用于自然景物模擬的粒子特效系統(tǒng)，完成了雪花場(chǎng)景模擬。(4) 通過(guò)模擬雪花場(chǎng)景驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和實(shí)時(shí)性。這份文檔將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，致力于使閱讀者和用戶能通過(guò)該文檔對(duì)整個(gè)雪花粒子系統(tǒng)有一個(gè)全面的了解。2 設(shè)計(jì)概述本課題研究的主要內(nèi)容是基于Windows 7平臺(tái)和OpenGL圖形庫(kù)，利用粒子系統(tǒng)的基本理論，開(kāi)發(fā)一個(gè)用于模擬下雪場(chǎng)景的粒子系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)要求l 命名規(guī)則：在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的需要命名的內(nèi)容包括工程文檔、類(lèi)、場(chǎng)景元素，整體工程為“MySnow”，各個(gè)類(lèi)根據(jù)不同場(chǎng)景不同功能以最簡(jiǎn)單英文進(jìn)行命名。 開(kāi)發(fā)環(huán)境與平臺(tái) 硬件平臺(tái) PC機(jī)，P4 ，512M內(nèi)存，40G硬盤(pán)，支持OPenGL的獨(dú)立顯卡或圖形加速器。（3） 另建目錄，如 E:\glut，再在E:\glut下面建E:\glut\include\gl，:\glut\ include\ gl下面。比如，在圖形模塊中我們需要經(jīng)常進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從模型坐標(biāo)到全局坐標(biāo)再到視點(diǎn)坐標(biāo)，最后到單位坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，都牽涉到坐標(biāo)的變化。內(nèi)存管理模塊監(jiān)控整個(gè)程序運(yùn)行期的內(nèi)存分配和內(nèi)存釋放鞥內(nèi)存操作；數(shù)據(jù)基礎(chǔ)模塊封裝了基本的2D和3D幾何代數(shù)操作。粒子系統(tǒng)模塊負(fù)責(zé)粒子及粒子系統(tǒng)的管理和組織，如粒子的刪除、屬性的更新和狀態(tài)的更新等。如果系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)內(nèi)存錯(cuò)誤，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，只需要重新啟動(dòng)系統(tǒng)即可。粒子系統(tǒng)理論主要基于以下的三個(gè)假設(shè)和兩個(gè)機(jī)制：(1) 物質(zhì)的粒子組成假設(shè)。(3) 粒子的屬性假設(shè)。(5) 粒子的運(yùn)動(dòng)機(jī)制。這份文檔的編寫(xiě)目的既是為了明確本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中所有既定設(shè)計(jì)問(wèn)題，也是為了幫助開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中保證工作效率和系統(tǒng)內(nèi)容與設(shè)計(jì)者意圖一致。對(duì)于不同的閱讀用戶我們提出了不同的建議如下：使用用戶：通過(guò)該問(wèn)題了解系統(tǒng)的背景及操作方法系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員：這是一款初學(xué)者做的雪花粒子系統(tǒng)，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)我們可以了解粒子系統(tǒng)的創(chuàng)建流程及控制機(jī)制，系統(tǒng)信息與OPenGL的語(yǔ)言的響應(yīng)關(guān)系及系統(tǒng)的編寫(xiě)過(guò)程中的各種細(xì)節(jié)流程，是一款不錯(cuò)的粒子系統(tǒng)使用實(shí)例。在進(jìn)行具體的景物模擬時(shí)，我們?cè)诹Ｗ酉到y(tǒng)通用結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上派生出各個(gè)粒子系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)。這類(lèi)的作用相對(duì)簡(jiǎn)單一些，它對(duì)粒子系統(tǒng)中的每一個(gè)粒子影響相同。還有，各個(gè)粒子之間相互碰撞會(huì)使粒子間產(chǎn)生能量的交換，這也屬于局部作用。雪花在空中漫天飛舞，其形狀各有不同，有六角形的，有如鵝毛般片狀的，給人的感覺(jué)是整個(gè)天空飛舞著大小不同、形狀各異的雪花。 雪花粒子的屬性從第二章所闡述的粒子理論中我們知道粒子的屬性一般包括空間位置屬性、外觀屬性、運(yùn)動(dòng)屬性、生存屬性等，下面結(jié)合上一節(jié)的雪景模擬分析，從粒子的屬性各個(gè)角度出發(fā)，定義雪花粒子的屬性。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在不影響圖形真實(shí)感的前提下，分布區(qū)域可用視點(diǎn)前的一個(gè)長(zhǎng)方體代替，該長(zhǎng)方體的某個(gè)面的法向量穿過(guò)視點(diǎn)，而粒子的初始分布區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方體中與XOZ面平行的一個(gè)表面，其法線朝下，其中陰影區(qū)域?yàn)槌跏嘉恢梅植紖^(qū)域。為了減少系統(tǒng)的計(jì)算，可以采用點(diǎn)元或者三角形來(lái)描述ZY雪花粒子分布區(qū)域視點(diǎn)X圖33 雪花粒子分布區(qū)域示意圖雪花，雪花粒子的大小可變。(4) 生存屬性粒子的生存屬性即指粒子存活與否的條件，約束雪花粒子存活與否的條件主要有粒子的生存周期和粒子的壽命。再次誕生新的粒子時(shí)并隨機(jī)的分布在其初始分布區(qū)域內(nèi)[5]。為了表示風(fēng)力對(duì)雪花的影響，我們?cè)诿總€(gè)方向上加了一個(gè)正弦旋轉(zhuǎn)量，用公式35可表示。2 測(cè)試條件1. 測(cè)試硬件環(huán)境設(shè)計(jì)為個(gè)人PC機(jī)，系統(tǒng)配置為P4 ；512MB內(nèi)存，獨(dú)立顯卡或圖形加速卡。性能指標(biāo)包括：雪花粒子控制，雪花貼圖控制，雪花粒子數(shù)量，雪花粒子大小等等。 測(cè)試結(jié)果（1）軟件能力：經(jīng)過(guò)測(cè)試，表明系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的功能及性能。（2） 測(cè)試雪花粒子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)粒子數(shù)量設(shè)置為最大數(shù)量時(shí)，看系統(tǒng)反應(yīng)速度，是否能正常運(yùn)行，對(duì)電腦資源占用是否過(guò)大。并且這些粒子都要經(jīng)過(guò)“產(chǎn)生(Generation)”、“運(yùn)動(dòng)變化(Dynamics)”和“消亡(Extinction)”這么三個(gè)生命歷程，所有存活著的粒子的生命值、形狀大小等屬性一直都在隨著時(shí)間的推移而變化，其他屬性都將在其限定的變化范圍內(nèi)隨機(jī)變化，這些粒子各種屬性變化就組成一幅連續(xù)變化的動(dòng)態(tài)畫(huà)面，從而充分模擬出了模糊物體的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性。粒子的獨(dú)立關(guān)系包括粒子系統(tǒng)中的每個(gè)粒子與場(chǎng)景中其他物體相交和粒子系統(tǒng)內(nèi)部的粒子之間不相交的連個(gè)部分。粒子系統(tǒng)中的每一個(gè)粒子都必須經(jīng)歷誕生、動(dòng)態(tài)變化和消亡三個(gè)生命歷程。它在雪花粒子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)交互性、數(shù)據(jù)處理以及其他功能。閱讀該文檔的用戶會(huì)從該文檔中了解到系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中各個(gè)細(xì)節(jié)，包括粒子的分心，OPenGL渲染流程及各種系統(tǒng)性能的要求。3 運(yùn)行環(huán)境 硬件硬件平臺(tái) PC機(jī)，P4 ，512M內(nèi)存，40G硬盤(pán)，支持OPenGL的獨(dú)立顯卡或圖形加速器?？刂骑L(fēng)力大小，改變雪花粒子下落軌跡?？旖萱IF1 系統(tǒng)開(kāi)始生成粒子快捷鍵F5 切換至下一種粒子貼圖快捷鍵Esc 進(jìn)行粒子屬性設(shè)置快捷鍵UP 加快粒子下落速度快捷鍵DOWN 減慢粒子下落速度快捷鍵LEFT 添加向左的風(fēng)快捷鍵RIGHT 添加向右的風(fēng)快捷鍵H 顯示用戶操作幫助窗口六、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)總結(jié)報(bào)告本文是在劉倩老師的悉心指導(dǎo)和督促下完成的，我謹(jǐn)向培育我的劉倩老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。感謝在大學(xué)期間所有傳授我知識(shí)的老師，是你們的悉心教導(dǎo)使我有了良好的專(zhuān)業(yè)課知識(shí)，這也是論文得以完成的基礎(chǔ)