【文章內(nèi)容簡介】 算轉(zhuǎn)換成二維圖像并顯示或打印出來的技術(shù)。 OpenGL 就是支持這種轉(zhuǎn)換的程序庫，它源于 SGI 公司為其圖形 工作站 開發(fā)的 IRIS GL，在跨平臺移植過程中發(fā)展成為 OpenGL。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁 湖南大學(xué)軟件學(xué)院 OpenGL是目前用于開發(fā)可移植的、可交互的 2D 和 3D 圖形應(yīng)用程序的首選環(huán)境，也是目前應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)。 OpenGL 是一套的計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng)，是圖形硬件的軟件接口， GL 代表圖形庫（ Graphics Library）。 OpenGL 具有可移植性，任何一個 OpenGL 應(yīng)用程序無須考慮其運(yùn)行環(huán)境所在平臺與操作系統(tǒng)，在任何一個遵循OpenGL標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境下都會產(chǎn)生相同的可視效果。 OpenGL不是一種編程語言，而是一種 API（ Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）。當(dāng)我們說某個程序是基于 OpenGL的或者說它是個 OpenGL程序是，意思是說它是用某種編程語言如 C 或 C＋＋編寫的，其中調(diào)用了一個或多個 OpenGL庫函數(shù)。作為一種 API， OpenGL遵循 C 語言的調(diào)用約定。 OpenGL主要包括三個函數(shù)庫，它們是核心庫、實(shí)用函數(shù)庫和編程輔助庫。核心庫中包含了 OpenGL最基本的命令函數(shù)。 核心庫提供了一百多個函數(shù)，這些函數(shù)都以 ”gl”為前綴，用來建立各種各樣的幾何模型、進(jìn)行坐標(biāo)變換、產(chǎn)生光照效果、進(jìn)行紋理映射、產(chǎn)生霧化效果等所有的二維和三維圖形操作。 實(shí)用函數(shù)庫是比核心庫更高一層的函數(shù)庫，它提供四十多個函數(shù)，這些函數(shù)都以 ”glu”為前綴。 由于 OpenGL是一個圖形標(biāo)準(zhǔn)，是獨(dú)立于任何窗口系統(tǒng)或操作系統(tǒng)的，在 OpenGL中沒有提供窗口管理和消息事件響應(yīng)的函數(shù)，也沒有鼠標(biāo)和鍵盤讀取 事件的功能，所以在編程輔助庫提供了一些基本的窗口管理函數(shù)、事件處理函數(shù)和簡單的事件函數(shù)。這類函數(shù)以 ”aux”作為前綴。 值得一提的是，目前 AUX 編程輔助庫已經(jīng)很大程度上被 GLUT 庫取代了 。 GLUT代表 OpenGL應(yīng)用工具包（ OpenGL Utility Toolkit），是一個與窗口系統(tǒng)無關(guān)的工具包。它作為 AUX 庫的功能更強(qiáng)的替代品，用于隱藏不同窗口系統(tǒng) API 的復(fù)雜性。 GLUT 的子程序的前綴使用 ”glut”。 MFC MFC 簡單來說就是 VC 的類庫，是一個編程框架。 MFC（ Microsoft Foundation Class Library） 中的各種類結(jié)合起來構(gòu)成了一個應(yīng)用程序框架，它的目的就是讓程序員在此基礎(chǔ)上來建立 Windows 下的應(yīng)用程序，這是一種相對 SDK 來說更為簡單的方法。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁 湖南大學(xué)軟件學(xué)院 從 總體上 來看 ， MFC 框架定義了應(yīng)用程序的輪廓，并提供了用戶接口的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)方法，程序員所要做的就是通過預(yù)定義的接口把具體應(yīng)用程序特有的東西填入這個輪廓。 Microsoft Visual C++提供了相應(yīng)的工具來完成這個工作： AppWizard 可以用來生成初步的框架文件（代碼和資源等）；資源編輯器用于幫助直觀地設(shè)計(jì)用戶接口；ClassWizard 用來協(xié)助添加代碼到框架文件；最后編譯，則通過類庫實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序特定的邏輯。 構(gòu)成 MFC 框架的是 MFC 類庫。 MFC 類庫是 C++類庫。這些類或者封裝了 Win32應(yīng)用程序編程接口，或者封裝了應(yīng)用程序的概念，或者封裝了 OLE 特性，或者封裝了ODBC 和 DAO 數(shù)據(jù)訪問的功能等等 。 MFC 抽象出眾多類的共同特性，設(shè)計(jì)出一些基類作為實(shí)現(xiàn)其他類的基礎(chǔ)。這些類中，最重要的類是 CObject 和 CCmdTarget。 CObject 是 MFC 的根類，絕大多數(shù) MFC 類是其派生的，包括 CCmdTarget。 CObject 實(shí)現(xiàn)了一些重要的特性，包括動態(tài)類信息、動態(tài)創(chuàng)建、對象序列化、對程序調(diào)試的支持，等等。所有從 CObject 派生的類都將具備或者可以具備 CObject 所擁有的特性。 CCmdTarget 通過封裝一些屬性和方法，提供了消息處理的架構(gòu)。 MFC 中，任何可以處理消息的類都從 CCmdTarget 派生。 針對每種不同的對象， MFC 都設(shè)計(jì)了一組類對這些對象進(jìn)行封裝，每一組類都有一個基類，從基類派生出眾多更具體的類。這些對象包括以下種類：窗口對象，基類是CWnd；應(yīng)用程序?qū)ο螅愂?CwinThread；文檔對象，基類是 Cdocument，等等。 程序員將結(jié)合自己的實(shí)際，從適當(dāng)?shù)?MFC 類中派生出自己的類，實(shí)現(xiàn)特定的功能，達(dá)到自己的編程目的。 MFC 以 “C++”為基礎(chǔ)，自然支持虛擬函數(shù)和動態(tài)約束。但是作為一個編程框架，有一個問題必須解決：如果僅僅通過虛擬函數(shù)來支持動態(tài)約束，必然導(dǎo)致虛擬函數(shù)表過于臃腫，消耗內(nèi)存，效率低下。例如， CWnd 封裝 Windows 窗口對象時，每一條 Windows消息對應(yīng)一個成員函數(shù)，這些成員函數(shù)為派生類所繼承。如果這些函數(shù)都設(shè)計(jì)成虛擬函數(shù)，由于數(shù)量太多，實(shí)現(xiàn)起來不現(xiàn)實(shí)。于是， MFC 建立了消息映射機(jī)制，以一 種富有效率、便于使用的手段解決消息處理函數(shù)的動態(tài)約束問題。 這樣，通過虛擬函數(shù)和消息映射， MFC 類提供了豐富的編程接口。程序員繼承基類的同時，把自己實(shí)現(xiàn)的虛擬函數(shù)和消息處理函數(shù)嵌入 MFC 的編程框架。 MFC 編程框架將在適當(dāng)?shù)臅r候、適當(dāng)?shù)牡胤絹碚{(diào)用程序的代碼。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 9 頁 湖南大學(xué)軟件學(xué)院 如前所述， MFC 實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)用程序概念的封裝，把類、類的繼承、動態(tài)約束、類的關(guān)系和相互作用等封裝起來。這樣封裝的結(jié)果對程序員來說，是一套開發(fā)模板（或者說模式）。針對不同的應(yīng)用和目的，程序員采用不同的模板。例如， SDI 應(yīng)用程序的模板， MDI 應(yīng)用程序的模板，規(guī) 則 DLL 應(yīng)用程序的模板，擴(kuò)展 DLL 應(yīng)用程序的模板，OLE/ACTIVEX 應(yīng)用程序的模板，等等。 這些模板都采用了以文檔 視為中心的思想，每一個模板都包含一組特定的類。 為了支持對應(yīng)用程序概念的封裝， MFC 內(nèi)部必須作大量的工作。例如，為了實(shí)現(xiàn)消息映射機(jī)制， MFC 編程框架必須要保證首先得到消息，然后按既定的方法進(jìn)行處理。又如，為了實(shí)現(xiàn)對 DLL編程的支持和多線程編程的支持， MFC 內(nèi)部使用了特別的處理方法，使用模塊狀態(tài)、線程狀態(tài)等來管理一些重要信息。雖然，這些內(nèi)部處理對程序員來說是透明的，但是，懂得和理解 MFC 內(nèi)部 機(jī)制有助于寫出功能靈活而強(qiáng)大的程序。 總之， MFC 封裝了 Win32 API， OLE API， ODBC API 等底層函數(shù)的功能，并提供更高一層的接口，簡化了 Windows 編程。同時， MFC 支持對底層 API 的直接調(diào)用。 MFC 提供了一個 Windows 應(yīng)用程序開發(fā)模式，對程序的控制主要是由 MFC 框架完成的，而且 MFC 也完成了大部分的功能，預(yù)定義或?qū)崿F(xiàn)了許多事件和消息處理，等等?？蚣芑蛘哂善浔旧硖幚硎录?，不依賴程序員的代碼；或者調(diào)用程序員的代碼來處理應(yīng)用程序特定的事件。 MFC 是 C++類庫，程序員就是通過使用、繼承 和擴(kuò)展適當(dāng)?shù)念悂韺?shí)現(xiàn)特定的目的。例如，繼承時，應(yīng)用程序特定的事件由程序員的派生類來處理，不感興趣的由基類處理。實(shí)現(xiàn)這種功能的基礎(chǔ)是 C++對繼承的支持，對虛擬函數(shù)的支持，以及 MFC 實(shí)現(xiàn)的消息映射機(jī)制。 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 10 頁 湖南大學(xué)軟件學(xué)院 3. 粒子 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) Particle System API 為了方便粒子系統(tǒng)的運(yùn)用， McAllister 以 OpenGL 為基礎(chǔ)，利用 C++開發(fā)了一套Particle System API。這套 API 具有以下優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行高效、運(yùn)用靈活、參數(shù)獨(dú)立、升級方便、硬件無關(guān)、學(xué)習(xí)簡單等。 該系統(tǒng)共分為五個部分：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(jìn)行調(diào)用，但在某一時刻，只能有一個粒子組是活動的。 活動是粒子組修改粒子屬性的函數(shù)。 活動列表類似與 OpenGL中的顯示列表，可以把一系列操作都封裝在一個活動列表中，需要的時候調(diào)用相應(yīng)的活動列表。 屬性提供了一些函數(shù)，用來修改粒子的顏色、大小和生命周期等屬性。 域定義了矩形、球體、園盤、圓柱等一些形狀，使行為函數(shù)、屬性函數(shù)能在域范圍內(nèi)做定義。 下面的偽代碼描述了粒子系統(tǒng)運(yùn)行 的流程： for each particle group j pCurrentGroup(j)//指定 group j 為當(dāng)前粒子組 for each time step per rendered framepSource(…)// 產(chǎn)生新的粒子 other actions…// 改變粒子組屬性 pMove（） //更新粒子位置 end for pDrawGroup(…)// 繪制粒子 end for other drawing… 每顆粒子的生命周期或工作 處理 流程如圖 31 所示： 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 11 頁 湖南大學(xué)軟件學(xué)院 圖 31 每顆 粒子 的生命 圖 常見的粒子運(yùn)動模型 粒子運(yùn)動中粒子產(chǎn)生的時候都具有一定的初始屬性，粒子作為質(zhì)點(diǎn)，按照動力學(xué)的規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動。以下是幾種常見的運(yùn)動形式： （ 1） 直線運(yùn)動。粒子的位置和速度變化遵循下面的原則 （如公式（ 31））： P=P0+∫Vdt, V=V0+∫adt （ 31） 其中 P 為粒子位置， P0 為粒子初始位置， V為粒子速度， V0 為初始速度， a為粒子加速度 。 （ 2） 阻尼運(yùn)動。在當(dāng)前運(yùn)動方向上的粒子根據(jù)阻尼的作用，其速度根據(jù)某種比例減少，一般取 值如公式（ 32）所示： V=V0（ 1d△ t） （ 32） 其中 d 為阻尼運(yùn)動的阻尼因子， d=[0, 1]。 （ 3） 螺旋運(yùn)動。螺旋運(yùn)動能按照給頂軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生粒子的翻滾等效果，使速度方向發(fā)生改變。 （ 4） 反彈運(yùn)動。反彈運(yùn)動能改變粒子運(yùn)動速度的大小與方向。對于無能量損失的湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 12 頁 湖南大學(xué)軟件學(xué)院 反彈運(yùn)動，類似于光的反射 ，如公式（ 33）所示： V0=V2（ V0N） N （ 33） 其中 N 為反射面的方法向量。 噴泉模擬 的算法 想要有好的模擬效果，首先要構(gòu)造合適的坐標(biāo)系。假想觀察者的視點(diǎn)位于屏幕正前方，以噴泉出水的管嘴的中心位置為 O，設(shè)置 X 軸正向沿從左至右的方向， Y 軸正向沿從下至上的方向， Z軸正向?yàn)閺睦镏镣獾姆较颉? 噴泉種類多樣， 本文 挑選出其中一些具有代表性的進(jìn)行研究和模擬。下面以 這樣 的一個 噴泉為例 來 說明模擬方法 ： 這個噴泉是從以原點(diǎn) O 為中心的管嘴中噴出水柱，經(jīng)過兩次面反射之后落在水池之中。 圖 32 描述了這個噴泉的大致形狀，其 中虛線段表示的 σ1和 σ2平面為噴泉的反射面，他們的形狀和位置可以由用戶設(shè)置。目前反彈面的形狀可以設(shè)為矩形或者圓；粗實(shí)線表示噴泉水流的輪廓；最下方用實(shí)線表示的 σ0平面為水池表面。在這個例子中， σ1與 Y 軸交于原點(diǎn) O， σ2與 Y 軸交于 P1 點(diǎn)， σ0與 Y 軸交于 P2 點(diǎn)。 圖 32 噴泉形狀圖示 噴泉粒子初始化 首先設(shè)定粒子的初始屬性，包括粒子的初始速度、初始位置以及顏色。將粒子的初始速度（ Vx,Vy,Vz）限制在一個圓柱環(huán)的域內(nèi)，圓柱的軸平行與 Y 軸并且長度很短，圓柱的外徑和內(nèi)徑也都不大，這樣可以保證粒子以比較穩(wěn)定的狀態(tài)變化。 然后設(shè)定粒子的初始顏色，由于是模擬噴泉水流，設(shè)定粒子顏色為白色?，F(xiàn)在就可以產(chǎn)生新粒了，將粒子產(chǎn)生的位置（ x0, y0, z0）范圍限制在 Z軸上一條很短的直線段上，這樣可以使粒子產(chǎn)生的位置看起來就像 從一個很細(xì)的管嘴噴出來一樣。粒子的位置將按照下面公式 （ 34） 變化： 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 13 頁 湖南大學(xué)軟件學(xué)院 x=x0+∫Vxdt y=y0+∫Vydt （ 34） z=z0+∫Vzdt 其中 ， （ x, y, z）是粒子的