【文章內(nèi)容簡介】 型、粒子系統(tǒng)通用結(jié)構(gòu)和粒子系統(tǒng)的算法框架。(2) 簡化雪景的數(shù)學模型，總結(jié)出雪粒子系統(tǒng)模型。(3) 設(shè)計并實現(xiàn)一個用于常見自然景物模擬的粒子特效系統(tǒng)。(4) 通過模擬雪花場景驗證系統(tǒng)的有效性和實時性。 編寫目的雪花粒子系統(tǒng),這款軟件是利用了最新的OPenGL語言進行編寫，OPenGL可以說是一款很新，很實用的語言,他完全實現(xiàn)了面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境，遵循 C++的環(huán)境的編程語言。它在雪花粒子系統(tǒng)中實現(xiàn)交互性、數(shù)據(jù)處理以及其他功能。這份文檔的編寫目的既是為了明確本系統(tǒng)開發(fā)過程中所有既定設(shè)計問題，也是為了幫助開發(fā)人員在開發(fā)過程中保證工作效率和系統(tǒng)內(nèi)容與設(shè)計者意圖一致。這份文檔將對系統(tǒng)進行詳細的說明，致力于使閱讀者和用戶能通過該文檔對整個雪花粒子系統(tǒng)有一個全面的了解。 預(yù)期讀者和閱讀建議本文檔是針對于系統(tǒng)使用用戶及編程人員在系統(tǒng)操作及編寫過程中可能碰見的各種問題及如何解答，由于是該項目是我第一次進行實際粒子系統(tǒng)的編寫，勢必會有這樣或那樣的不足，因此系統(tǒng)并不一定會成為市場產(chǎn)品，我們的最初設(shè)想是將該粒子系統(tǒng)免費發(fā)布于網(wǎng)上，作為一種網(wǎng)絡(luò)資源供后來者參考。閱讀該文檔的用戶會從該文檔中了解到系統(tǒng)開發(fā)過程中各個細節(jié)，包括粒子的分心，OPenGL渲染流程及各種系統(tǒng)性能的要求。對于不同的閱讀用戶我們提出了不同的建議如下：使用用戶：通過該問題了解系統(tǒng)的背景及操作方法系統(tǒng)設(shè)計人員：這是一款初學者做的雪花粒子系統(tǒng)，通過這個系統(tǒng)我們可以了解粒子系統(tǒng)的創(chuàng)建流程及控制機制，系統(tǒng)信息與OPenGL的語言的響應(yīng)關(guān)系及系統(tǒng)的編寫過程中的各種細節(jié)流程，是一款不錯的粒子系統(tǒng)使用實例。2 設(shè)計概述本課題研究的主要內(nèi)容是基于Windows 7平臺和OpenGL圖形庫，利用粒子系統(tǒng)的基本理論，開發(fā)一個用于模擬下雪場景的粒子系統(tǒng)。本課題首先通過閱讀和分析大量的參考文獻，總結(jié)了粒子系統(tǒng)的基本原理和粒子系統(tǒng)的基本模型。進而得出了粒子系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)，簡化了雪景的數(shù)學模型，總結(jié)出了雪景和噴泉的粒子系統(tǒng)模型?；贠penGL設(shè)計并實現(xiàn)了一個用于自然景物模擬的3D粒子特效系統(tǒng)，并完成了對雪花特效的實時模擬。 設(shè)計原則和設(shè)計要求l 命名規(guī)則：在該系統(tǒng)的設(shè)計過程中會出現(xiàn)的需要命名的內(nèi)容包括工程文檔、類、場景元素，整體工程為“MySnow”，各個類根據(jù)不同場景不同功能以最簡單英文進行命名。l 邊界設(shè)計原則：整個項目有數(shù)值的輸入與輸出要求，針對這種情況設(shè)定數(shù)值邊界為正整數(shù)。l 系統(tǒng)易操作性要求：在整個系統(tǒng)的設(shè)計過程中，各個環(huán)節(jié)都應(yīng)該著重突出簡單的操作提示，從而保證用戶在使用系統(tǒng)的過程中操作簡便和順暢。l 系統(tǒng)可維護性要求：.對各個模塊的相對獨立設(shè)計保證系統(tǒng)修改時對整體的改動盡量減小。 開發(fā)環(huán)境與平臺 硬件平臺 PC機，P4 ，512M內(nèi)存，40G硬盤，支持OPenGL的獨立顯卡或圖形加速器。 軟件平臺操作系統(tǒng)為Windows 7操作系統(tǒng)，編譯程序為VC++2008，編譯環(huán)境：需要對系統(tǒng)進行OPenGL的配置。具體配置方法如下：（1）glut是一個win32 dynamic lib。（2） windows system目錄下。（3） 另建目錄，如 E:\glut，再在E:\glut下面建E:\glut\include\gl，:\glut\ include\ gl下面。（4）再在E:\glut下面建E:\glut\lib，:\glut\lib下面。 （5）最后把glut加到工程(project)中 .3 系統(tǒng)邏輯設(shè)計 系統(tǒng)架構(gòu)圖首先，該系統(tǒng)為一個運用粒子系統(tǒng)理論，在Windows 7平臺上，基于OpenGL圖形庫開發(fā)，用于常見自然景物模擬的粒子特效系統(tǒng)，因此它應(yīng)該能夠較好的完成理想的景物模擬，達到用戶對于雪花的模擬要求。另外，本系統(tǒng)也需要用數(shù)學理論解決的問題。比如，在圖形模塊中我們需要經(jīng)常進行坐標轉(zhuǎn)換，從模型坐標到全局坐標再到視點坐標，最后到單位坐標之間的轉(zhuǎn)換，都牽涉到坐標的變化。要實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換，就牽涉到數(shù)學中有關(guān)矩陣的知識。鑒于以上對系統(tǒng)需求的分析，我們完成如圖21所示的3D粒子特效系統(tǒng)架構(gòu)。核心模塊系統(tǒng)控制模塊場景控制模塊粒子系統(tǒng)管理模塊圖形渲染模塊基礎(chǔ)模塊內(nèi)存管理模塊數(shù)學基礎(chǔ)模塊圖21 3D粒子特效系統(tǒng)宏觀框架圖其中，內(nèi)存管理模塊和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)模塊構(gòu)成整個3D特效粒子系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊。內(nèi)存管理模塊監(jiān)控整個程序運行期的內(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。核心模塊中，系統(tǒng)控制模塊是唯一被授權(quán)和系統(tǒng)的所有模塊進行交互的模塊，負責對整個系統(tǒng)流程的控制和操作。系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)控制模塊掌握系統(tǒng)操縱權(quán)，由他負責調(diào)用和啟動其他模塊，同時負責用戶和系統(tǒng)的交互，為用戶和其他模塊之間提東信息傳遞和相應(yīng)。場景管理模塊主要負責系統(tǒng)整個場景的管理和組織。粒子系統(tǒng)模塊負責粒子及粒子系統(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。如圖22所示，本系統(tǒng)主要處理流程分為以下幾步：(1) 系統(tǒng)控制模塊啟動系統(tǒng)并對系統(tǒng)進行初始化；(2) 場景管理模塊創(chuàng)建視點和視口，進行場景初始化；(3) 粒子系統(tǒng)廣利模塊創(chuàng)建粒子系統(tǒng)，初始化粒子系統(tǒng)的各項屬性；(4) 場景管理模塊創(chuàng)建場景節(jié)點，將粒子系統(tǒng)掛接到場景節(jié)點上，與場景節(jié)點相對應(yīng)；(5) 圖形渲染模塊將需要渲染的場景數(shù)據(jù)通過OpenGL圖形接口渲染成圖像。圖形渲染模塊場景管理模塊粒子系統(tǒng)管理模塊場景管理模塊系統(tǒng)控制模塊系統(tǒng)啟動系統(tǒng)初始化創(chuàng)建視點創(chuàng)建視口創(chuàng)建粒子系統(tǒng)更新粒子系統(tǒng)屬性創(chuàng)建場景視點掛接粒子系統(tǒng)渲染場景圖22 粒子系統(tǒng)流程圖4 系統(tǒng)出錯處理設(shè)計本系統(tǒng),只對特定的鍵位進行響應(yīng),對按下其他鍵位,系統(tǒng)將不作出任何反應(yīng)。在輸入數(shù)據(jù)的地方，有提示輸入范圍，如果輸入超出特定范圍，將提示錯誤并重新輸入。如果系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)內(nèi)存錯誤，系統(tǒng)將會自動關(guān)閉，只需要重新啟動系統(tǒng)即可。三、詳細設(shè)計報告1引言粒子系統(tǒng)基本原理是將大量相似的微小的基本粒子圖元按照一定的規(guī)律組合起來，以描述和模擬一些不規(guī)則的模糊物體。屬于粒子系統(tǒng)的每個粒子圖元具有確定的生命值(Life)和各種狀態(tài)屬性(Attributes)，如大小(Size)、形狀(Shape)、位置(Position)、顏色(Color)、透明度(Alpha)、速度(Velocity)等。并且這些粒子都要經(jīng)過“產(chǎn)生(Generation)”、“運動變化(Dynamics)”和“消亡(Extinction)”這么三個生命歷程，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)隨機變化，這些粒子各種屬性變化就組成一幅連續(xù)變化的動態(tài)畫面，從而充分模擬出了模糊物體的隨機性和動態(tài)性。粒子系統(tǒng)理論主要基于以下的三個假設(shè)和兩個機制：(1) 物質(zhì)的粒子組成假設(shè)。把被模擬的模糊物體看做有限個動態(tài)變化粒子的集合，這些粒子有確定的屬性，并且每個粒子都處于運動狀態(tài)，粒子在空間上確定的分布范圍。(2) 粒子獨立關(guān)系假設(shè)。粒子的獨立關(guān)系包括粒子系統(tǒng)中的每個粒子與場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部分。(3) 粒子的屬性假設(shè)。每個粒子都具有一系列的屬性，主要分為質(zhì)量屬性、空間屬性、外觀屬性、運動屬性、生存屬性等。(4) 粒子的生命機制。粒子系統(tǒng)中的每一個粒子都必須經(jīng)歷誕生、動態(tài)變化和消亡三個生命歷程。(5) 粒子的運動機制。粒子在存活期間遵行被模擬的物體特性決定的運動規(guī)律。 編寫目的雪花粒子系統(tǒng),這款軟件是利用了最新的OPenGL語言進行編寫，OPenGL可以說是一款很新，很實用的語言,他完全實現(xiàn)了面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境，遵循 C++的環(huán)境的編程語言。它在雪花粒子系統(tǒng)中實現(xiàn)交互性、數(shù)據(jù)處理以及其他功能。這份文檔的編寫目的既是為了明確本系統(tǒng)開發(fā)過程中所有既定設(shè)計問題，也是為了幫助開發(fā)人員在開發(fā)過程中保證工作效率和系統(tǒng)內(nèi)容與設(shè)計者意圖一致。這份文檔將對系統(tǒng)進行詳細的說明，致力于使閱讀者和用戶能通過該文檔對整個雪花粒子系統(tǒng)有一個全面的了解。 預(yù)期讀者和閱讀建議本文檔是針對于系統(tǒng)使用用戶及編程人員在系統(tǒng)操作及編寫過程中可能碰見的各種問題及如何解答，由于是該項目是我第一次進行實際粒子系統(tǒng)的編寫，勢必會有這樣或那樣的不足，因此系統(tǒng)并不一定會成為市場產(chǎn)品，我們的最初設(shè)想是將該粒子系統(tǒng)免費發(fā)布于網(wǎng)上，作為一種網(wǎng)絡(luò)資源供后來者參考。閱讀該文檔的用戶會從該文檔中了解到系統(tǒng)開發(fā)過程中各個細節(jié)，包括粒子的分心，OPenGL渲染流程及各種系統(tǒng)性能的要求。對于不同的閱讀用戶我們提出了不同的建議如下：使用用戶：通過該問題了解系統(tǒng)的背景及操作方法系統(tǒng)設(shè)計人員：這是一款初學者做的雪花粒子系統(tǒng)，通過這個系統(tǒng)我們可以了解粒子系統(tǒng)的創(chuàng)建流程及控制機制，系統(tǒng)信息與OPenGL的語言的響應(yīng)關(guān)系及系統(tǒng)的編寫過程中的各種細節(jié)流程，是一款不錯的粒子系統(tǒng)使用實例。2 系統(tǒng)詳細設(shè)計 粒子系統(tǒng)通用結(jié)構(gòu)本文的粒子系統(tǒng)主要用于模擬各種常見的自然景觀和常見的景物。由于被模擬的各種景物有著不同的形狀和物理特性，使得模擬景物采用的粒子系統(tǒng)模型、粒子系統(tǒng)的屬性結(jié)構(gòu)以及粒子的繪制方法等都有所差異。但粒子系統(tǒng)理論也決定了這些不同的粒子系統(tǒng)之間也還存在著一些相同的框架和結(jié)構(gòu)，把這些相同的框架架構(gòu)抽去出來，就形成粒子系統(tǒng) 的通用結(jié)構(gòu)。在進行具體的景物模擬時，我們在粒子系統(tǒng)通用結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上派生出各個粒子系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)。粒子系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)如圖31所示，粒子系統(tǒng)大體由粒子管理、粒子存儲和粒子渲染三個部分組成。粒子系統(tǒng)粒子的管理粒子的存儲粒子的渲染粒子的生存粒子的動態(tài)變化粒子的誕生粒子的消亡全局作用局部作用重力作用風力作用其他作用擴 展對 流能量交換圖31 粒子系統(tǒng)通用結(jié)構(gòu)其中，粒子的生存是指粒子的生命更新，包括粒子的誕生和粒子的死亡；粒子的演變主要包括粒子的形狀變化和粒子的運動狀態(tài)更新。而粒子的形態(tài)變化和運動狀態(tài)更新主要取決于所受的影響作用，我們可以將粒子系統(tǒng)中對粒子的影響作用分為全局作用和局部作用兩大類：(1) 全局作用粒子系統(tǒng)作為一個整體要受到的影響和受力稱為全局作用，如重力作用，風力作用等全局作用力。這類的作用相對簡單一些，它對粒子系統(tǒng)中的每一個粒子影響相同。假設(shè)某不規(guī)則模糊物體受到一個全局作用的影響，那么模擬該物體的粒子系統(tǒng)中的每一個粒子都要受到同樣方向、同樣大小的作用力。(2) 局部作用局部作用主要針對粒子系統(tǒng)中的單個粒子而言，它對于物體整體沒有意義的。以火焰粒子為例，如果某個火焰粒子正處于粒子系統(tǒng)的高密度區(qū)，根據(jù)分子運動的原理，它