【正文】 本顯示元素來描繪粒子。 發(fā)射器的一個(gè)重要參數(shù)是每個(gè)粒子的初始位置，一般而言，可能用到的發(fā)射器有點(diǎn)發(fā)射器（每個(gè)粒子都是從同一點(diǎn)發(fā)射），比如爆炸的火花，噴泉等，如果粒子的產(chǎn)生有一定的范圍，那就需要矩形發(fā)射器 [10]，定義一個(gè)確定的長(zhǎng)寬，粒子在這個(gè)矩形范圍內(nèi)隨機(jī)生成。 N） *N （ 公式 33） 其中 N 為反射面的方法向量。 (4) 反彈運(yùn)動(dòng) ， 反彈運(yùn)動(dòng)能改變粒子運(yùn)動(dòng)速度的大小與方向。 (2) 阻尼運(yùn)動(dòng) ， 在當(dāng)前運(yùn) 動(dòng)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） （ 公式 32） 其中 d 為阻尼運(yùn)動(dòng)的阻尼因子， d=[0, 1]。 (3) 刪除已經(jīng)死亡的粒子：檢查所有粒子的生命期如果法線某粒子已經(jīng)死亡 則將該粒子從粒子系統(tǒng)中刪除 (4) 繪制粒子：將粒子系統(tǒng)中所有的粒子繪制出來，得到所需要的視覺效果 常見的粒子運(yùn)動(dòng)模型 粒子運(yùn)動(dòng)中粒子產(chǎn)生的時(shí)候都具有一定的初始屬性，粒子作為質(zhì)點(diǎn)，按照動(dòng)力學(xué)的規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。每個(gè)粒子可以具有一個(gè)生命期，如果某些粒子不應(yīng)刪除，則可以賦予他們無限長(zhǎng)的生命期。 一個(gè)粒子系統(tǒng)是隨時(shí)間不斷變化的，在生命期的每一刻都要完成以下 4 步工作。粒子屬性的初始值通常由隨機(jī)過程產(chǎn)生。粒子系統(tǒng)由大量的粒子構(gòu)成。另外，利用 3DS MAX 制作的煙火、浪花，其效果還不太理想，需要將粒子系統(tǒng)與其他方法想結(jié)合，開發(fā)出更新更好的算發(fā)，這些都是今后的研究方向之一。但迄今為止，所考慮的都是單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)，對(duì)物體的模型也作了許多假設(shè)。 總而言之，粒子系統(tǒng)為如何模擬具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)及復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的物體提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔、抽象的描述。例如，徐迎慶等人利用粒子系統(tǒng)模擬了水面濺起的水沫以及流水與石頭碰撞后產(chǎn)生的水花等效果；宋萬壽等人在 IBM PC386 機(jī)上開發(fā)了基于粒子系統(tǒng)方法的焰火及樹木模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等?？傊?，粒子系統(tǒng)能夠創(chuàng)建各種動(dòng)畫效果。 David E. Breen 利用 “ 交互粒子 ” 模擬了布匹、織物。 Milleramp。 Reed 等人用粒子系統(tǒng)成果的模擬了閃電。 Fournier ，提出了浪花的產(chǎn)生條 件—— 粒子運(yùn)動(dòng)速度和海流曲面?zhèn)鞑ニ俣戎g的差異要超過一定的條件，即粒子運(yùn)動(dòng)速度與海浪曲面?zhèn)鞑ニ俣戎g的差異要超過一定的閥值 [8]，否則產(chǎn)生泡沫。 1985 年 Reeves W. Blau 發(fā)展了粒子系統(tǒng)，他們用 “ volume filling” 基本單元模擬生成那種隨時(shí)間改變形狀，但又基本保持不變的實(shí)體，如隨風(fēng)飄動(dòng)的花草樹葉。對(duì)于較復(fù)雜的動(dòng)畫，如隨時(shí)間生成不同類型粒子的爆炸（例如： 碎片、火焰和煙霧），使用“粒子流”可以獲得最大的靈活性和可控性。 如果要訪問 3ds max 中大量的粒子系統(tǒng)，則需要確定特定應(yīng)用程序所要使用的系統(tǒng)。另外，功能強(qiáng)大的圖形卡可以加快粒子幾何體在視口中的顯示速度。 重要信息：粒子系統(tǒng)可以涉及大量實(shí)體，每個(gè)實(shí)體都要經(jīng)歷一定數(shù)量的復(fù)雜計(jì)算。粒子位于事件中時(shí)，每個(gè)事件都指定粒子的不同屬性和行為。 3ds max 提供了兩種不同類型的粒子系統(tǒng)：事件驅(qū)動(dòng)和非事件驅(qū)動(dòng)。 粒子系統(tǒng)的簡(jiǎn)介及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 (1) 粒子系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 粒子系統(tǒng)用于各種動(dòng)畫任務(wù)。 為噴泉模型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)做技術(shù)支撐。提供 VC 的類庫(kù) 等 。兩者不同的編程模式的效果是相同的。實(shí)現(xiàn)這種功能的基礎(chǔ)是 C++對(duì)繼承的支持，對(duì)虛擬函數(shù)的支持，以及 MFC 實(shí)現(xiàn)的消息映射機(jī)制。 MFC 是 C++類庫(kù)，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。 MFC 提供了一個(gè) Windows 應(yīng)用程序開發(fā)模式，對(duì)程序的控制主要是由 MFC 框 架系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)與原理 9 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。 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(jiǎn)化了 Windows 編程。又如，為了實(shí)現(xiàn)對(duì) 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。 為了支持對(duì)應(yīng)用程序概念的封裝， MFC 內(nèi)部必須作大量的工作。針對(duì)不同的應(yīng)用和目的，程序員采用不同的模板。 如前所述， MFC 實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)用程序概念的封裝，把類、類的繼承、動(dòng)態(tài)約束、類的關(guān)系和相互作用等封裝起來。程序員繼承基類的同時(shí)，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。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(dòng)態(tài)約束問題。例如， CWnd 封裝 Windows 窗口對(duì)象時(shí)，每一條 Windows消息對(duì)應(yīng)一個(gè)成員函數(shù)，這些成員函數(shù)為派生類所繼承。 MFC 以 C++為基礎(chǔ)，自然支持虛擬函數(shù)和動(dòng)態(tài)約束。 針對(duì)每種不同的對(duì)象， MFC 都設(shè)計(jì)了一組類對(duì)這些對(duì)象進(jìn)行封裝，每一組類都有一個(gè)基類，從基類派生出眾多更具體的類。 CCmdTarget 通過封裝一些屬性和方法，提供了消息處理的架構(gòu)。 CObject 實(shí)現(xiàn)了一些重要的特性，包括動(dòng)態(tài)類信息、動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、對(duì)象序列化、對(duì)程序調(diào)試的支持等。這些類系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)與原理 8 中，最重要的類是 CObject 和 CCmdTarget。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。 構(gòu)成 MFC 框架的 是 MFC 類庫(kù)。 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(gè)輪廓。 MFC MFC 簡(jiǎn)單來說就是 VC 的類庫(kù)，是一個(gè)編程框架 [5]。 由于 OpenGL 是一個(gè)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(kù)提供了一些基本的窗口管理函數(shù)、事件處理函數(shù)和簡(jiǎn)單的事件函數(shù)。 核心庫(kù)提供了一百多個(gè)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。 OpenGL 主要包括三個(gè)函數(shù)庫(kù)，它們是核心庫(kù)、實(shí)用函數(shù)庫(kù)和編程輔助庫(kù)。 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(kù)（ Graphics Library）。 OpenGL 就是支持這種轉(zhuǎn)換的程序庫(kù)，它源于 SGI 公司為其圖 形 工作 站 開發(fā)的 IRISGL，在跨平臺(tái)移植過程中發(fā)展成為 OpenGL。 OpenGL 編程模式 OpenGL 是 Open Graphics Library 的縮寫，是一套三維圖形處理庫(kù)，也是該領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它包括很多方面：我們播放 mpg、 DVD 電影看圖、玩小游戲等等都是用的 DDraw， 可以把它理解成所有劃線的部分都是用的 DDraw。 DirectX 是由很多 API 組成的，按照性質(zhì)分類，可以分為四大部分，顯示部分、聲音部分、輸入部分和網(wǎng)絡(luò)部分。 DirectX 編程模式 DirectX 是一種應(yīng)用程序接口（ API），它可讓以 windows 為平臺(tái)的游戲或多媒體程序獲得更高的執(zhí)行效率，加強(qiáng) 3D 圖形和聲音效果，并提供設(shè)計(jì)人員一個(gè)共同的硬件驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，讓游戲開發(fā)者不必為每一品牌的硬件來寫不同的驅(qū)動(dòng)程序，也降低用戶安裝及設(shè)置 硬件的復(fù)雜度。 其實(shí) DirectX 之所以是游戲首選平臺(tái)是因?yàn)樗俣瓤?，在過去支持 OpenGL 加速的家用卡或游戲卡很少，而軟件計(jì)算很慢。單就圖形而論 ， DirectX 的圖形庫(kù)性能不如 OpenGL， OpenGL 穩(wěn)定，可跨平臺(tái)使用。核心庫(kù)中包含了 OpenGL 最基本的命令函數(shù)。作為一種 API， OpenGL 遵循 C 語言的調(diào)用約定。 通過分別把兩個(gè) 向量的各個(gè)分量相加 ，可以 得到向量之和， 如（公式 23）所示 ： u+v=(ux+ux,uy+uy,uz+uz) （公式 23） DirectX 與 OpenGL DirectX 與 OpenGL 區(qū)別 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 [4]）。=u/‖u‖=(ux/‖u‖,uy/‖u‖,uz/‖u‖) （公式 22） 其中， 標(biāo)準(zhǔn)化向量是讓向量的大小等于 1，即被叫作單位向量。在 幾何學(xué)上，向量大小是有向線段的長(zhǎng)度 ， 知道向量的分量，利用（ 公式 21） 就能計(jì)算出向量的大小 ： ‖u‖= 222 uzuyux ?? （公式 21） 其中， ‖u‖表示向量 u 的長(zhǎng)度。 在本課題中，需要 運(yùn)用的主要是一些向量的坐標(biāo)運(yùn)算 。右手坐標(biāo)（ RHS）假設(shè) XY 為紙張上或屏幕上的水平軸和垂直軸，正 Z 軸指向紙外或屏幕外。 3D 笛卡爾坐標(biāo)系包括左手坐標(biāo)系和右手坐標(biāo)系兩種。三個(gè)坐標(biāo)軸構(gòu)成三個(gè)平面： XY 平面、 XZ 平面和 YZ 平面。 (1) 空間坐標(biāo)系 空間坐標(biāo)系中使用最廣泛的是笛卡爾坐標(biāo)系，它基于空間中三條相互垂直的坐標(biāo)軸 ： X 軸、 Y 軸和 Z 軸。 Vx 表示的是在三維空間中 x 軸方向上的分速度， Vy 表示的是在三維空間中 y 軸方向上的分速度， Vz表示 的是在三維空間中 z 軸方向上的分速度。即：物體在只收到重力的作用下以一定的初始速度進(jìn)行勻加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然噴泉的模擬也離不開 計(jì)算機(jī) 圖形學(xué)本身的知識(shí)，這些知識(shí)都將會(huì)在這部分介紹下。然后 要 保證水滴在那個(gè)空間 里 運(yùn)動(dòng) ， 這就需要運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)了。組織結(jié)構(gòu)圖如 圖 11 所示 . 圖 11 論文組織結(jié)構(gòu)圖 緒論 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)與原理 粒子系統(tǒng)基本原理 噴泉設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 總結(jié)與展望 論文組織結(jié)構(gòu) 主要介紹系統(tǒng)用到的相關(guān)物理知識(shí)、數(shù)學(xué)知識(shí) DirectX 與 OpenGL 區(qū)別 MFC 系統(tǒng)框架簡(jiǎn)介 這些都是為下面的粒子系統(tǒng)作技術(shù)支撐 本章主要是介紹粒子系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及基本原理和在噴泉設(shè)計(jì)過程中要使用到的紋理映射技術(shù)等 噴泉本章主要介紹了實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，系統(tǒng) 功能以及噴泉模型的分析與設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)噴泉模擬算法的研究和運(yùn)用 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)與原理 4 2 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)與原理 計(jì)算機(jī) 圖形學(xué)中經(jīng)常要用到許多物理、數(shù)學(xué)知識(shí)。本課題用粒子系統(tǒng)對(duì)噴泉進(jìn)行模擬 [3]，是為了讓更多人的了解粒子系統(tǒng)，對(duì)粒子系統(tǒng)的重要性有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，并為大有致力于粒子系統(tǒng)的同學(xué)有機(jī)會(huì)更深入的了解。 具體要求 如下 ： (1) 理解圖形學(xué)中粒子系統(tǒng)的原理和作用； (2) 利用 OpenGL 實(shí)現(xiàn)粒子系統(tǒng)； (3) 模擬一個(gè)正在噴水的噴泉，考慮水滴的材質(zhì)和光照屬性，或選擇較好的貼圖； (4) 噴泉的水流要連貫，水滴成流，符合現(xiàn)實(shí)情況，有曲線的噴出下落路線； (5) 設(shè)計(jì)并繪制一個(gè)場(chǎng)景，使得場(chǎng)景比較逼真。 論文的研究?jī)?nèi)容 本課題要求使用 OpenGL 編寫程序?qū)崿F(xiàn)粒子系統(tǒng)，并模擬一個(gè)正在噴水的噴泉，繪制出三維動(dòng)畫。 (3) 該噴泉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)一方面是基于粒子系統(tǒng)的介紹過程，通過不同角度來觀察噴泉，展現(xiàn)出不同的景觀。目前，在這一領(lǐng)域已經(jīng)有較多的算法和理論。它的意義如以下幾個(gè)方面： (1) 自然景物的模擬一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。事實(shí)上，圖形學(xué)也把可以表示幾何場(chǎng)景的曲線曲面造型技術(shù)和實(shí)體造型技術(shù)作為其主要的研究?jī)?nèi)容。為此，必須建立圖形所描述的場(chǎng)景的幾何表示，再用某種光照模型，計(jì)算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。因此本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我選擇了“基于粒子系統(tǒng)三維噴泉實(shí)現(xiàn)”這個(gè)題目，希望通過制作畢業(yè)設(shè)計(jì)之際，加深自己對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)習(xí)與認(rèn)識(shí)。 論文研究的意義 伴隨著工業(yè)設(shè)計(jì)，游戲開發(fā)，虛擬呈現(xiàn)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)逐漸在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，脫穎而出，并為人們的生產(chǎn)生活帶來巨大的方便以及娛樂。函數(shù)選擇的恰當(dāng)與否，決定效果的逼真程度。粒子系統(tǒng)的隨機(jī)性使模擬不規(guī)則模糊物體變得十分簡(jiǎn)便。 利用粒子系統(tǒng)生成畫面的基本步驟是： (1)產(chǎn)生新的粒子； (2)賦予每一新粒子一定的屬性； (3)刪去那些已經(jīng)超過生存期的粒子； (4)根據(jù)粒子的動(dòng)態(tài)屬性對(duì)粒子進(jìn)行移動(dòng)和變換； (5)顯示由有生命的粒子組成的圖像。這些粒子都有各自的生命周期，在系統(tǒng)中都要經(jīng)歷“產(chǎn)生”、 “運(yùn)動(dòng)和生長(zhǎng)”及“消亡”三個(gè)階段。只要你的想象力足 夠豐富，你可以創(chuàng)造出意想不到的奇跡來。 利用粒子系統(tǒng)，可以在屏幕中表現(xiàn)諸多的特殊效果，如：焰火、火苗、落葉、雪花飛舞等。 Particle system。 at the same time, adopt Line way instead of traditional way rendering particles w