基于MFC和OpenGL的噴泉模擬實(shí)現(xiàn)

　由于自然環(huán)境中大部分景物（如云彩、火焰、煙霧、瀑布、雪花等特效）具有不規(guī)則性、復(fù)雜性與隨機(jī)性，且隨著時(shí)間變化形狀會(huì)隨之變化，對(duì)其進(jìn)行逼真的實(shí)時(shí)模擬十分困難，需要大量的計(jì)算量和數(shù)據(jù)量。在虛擬環(huán)境中，自然景物的視覺(jué)效果直接影響到觀察者對(duì)周圍環(huán)境的感知，所以開(kāi)發(fā)一個(gè)既能滿足逼真度要求，又能實(shí)時(shí)顯示的粒子系統(tǒng)是非常必要的。自從OpenGL公布以來(lái)，有關(guān)圖形學(xué)方面的書(shū)籍、論文等資料就層出不窮，如何利用Open GL開(kāi)發(fā)出具有一定水平的計(jì)算機(jī)圖形程序就成為眾多學(xué)者的追求目標(biāo)。在Visual C++中，既可利用Win32編程，也可利用MFC編程，兩者各有特點(diǎn)，本文就如何利用Open GL在MFC中開(kāi)發(fā)出一個(gè)簡(jiǎn)單的噴泉模擬程序作一個(gè)簡(jiǎn)單探討。
1 OpenGL繪圖環(huán)境初始化
　OpenGL是一個(gè)跨平臺(tái)的三維圖形庫(kù)，可在Windows、Unix和Mac等平臺(tái)上運(yùn)行。而Visual C++完善的基本類庫(kù)MFC和應(yīng)用向?qū)ppWizard使得開(kāi)發(fā)一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序變得輕松自如。如果將兩者結(jié)合，便可開(kāi)發(fā)出較高水平的Windows下三維圖形應(yīng)用程序[1]。
　在3D游戲的渲染過(guò)程中，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)于那些像雨、雪、瀑布、噴泉以及火焰等沒(méi)有固定形狀，甚至要隨著外部環(huán)境或者其他因素的改變而改變的物質(zhì)建模，傳統(tǒng)的方法就顯得無(wú)能為力了[2]。1983年REEVES W T提出了一種新的建模方法，稱為模糊物體建模，該方法就是粒子系統(tǒng)，它的出現(xiàn)正好解決了上述問(wèn)題[3]。
　OpenGL函數(shù)庫(kù)和操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)，它有自己的獨(dú)特設(shè)計(jì)，與Windows的圖像設(shè)備接口GDI模型以及多數(shù)MFC應(yīng)用程序的建立方法不太一致。在Windows系統(tǒng)中，這樣的一組函數(shù)稱為wiggle函數(shù)，每個(gè)wiggle函數(shù)的前綴是“wgl”。
　在Win32下，首先必須重新設(shè)置畫(huà)圖窗口的像素格式，使其符合OpenGL對(duì)像素格式的需要。為此，聲明一個(gè)PIXELFORMATDESCRIPTOR結(jié)構(gòu)的變量，并適當(dāng)設(shè)置其結(jié)構(gòu)成員的值，使其支持OpenGL及其顏色模式。再以此變量為參數(shù)調(diào)用ChoosePixelFormat（），分配一個(gè)像素格式號(hào)，然后調(diào)用SetPixelFormat（）將其設(shè)置為當(dāng)前像素格式。
　完成了像素格式的重新設(shè)置后，需要為OpenGL建立繪制描述表（Render Context）。繪制描述表的作用類似于Windows中的設(shè)備描述表（Device Context）。只有建立了繪制描述表RC后，OpenGL才能調(diào)用繪圖原語(yǔ)在窗口中做出圖形。Win32API提供了幾個(gè)操作繪制描述表的函數(shù)，包括建立、復(fù)制、使用、刪除和查詢等，它們都以wgl為詞頭。RC是以線程為單位的，每一個(gè)線程必須使用一個(gè)RC作為當(dāng)前RC才能執(zhí)行OpenGL繪圖原語(yǔ)。
　wglCreateContext（）是建立繪制描述表的函數(shù)，它以一個(gè)指向GDI設(shè)備描述表的句柄為參數(shù)，返回一個(gè)與此設(shè)備描述表相關(guān)聯(lián)的繪制描述表句柄。在以此2句柄為參數(shù)調(diào)用函數(shù)wglMakeCurrent（），使RC成為線程當(dāng)前使用的RC，完成Windows下OpenGL繪圖環(huán)境的初始化過(guò)程[4]。
2 建立OpenGL單文檔應(yīng)用程序框架
　使用Visual C++的AppWizard和Class Wizard可以很容易地生成一個(gè)使用MFC的OpenGL單文檔應(yīng)用程序框架，名稱為MyFountain。
2.1 PreCreateWindow方法
　BOOL CMySDOpenGLView：： PreCreateWindow（CREATESTRUCT cs）
{
cs.style|=WS_CLIPCHILDREN|WS_CLIPSIBLINGS；
return CView：：PreCreateWindow（cs）；
}
　使視窗口具有WS_CLIPCHILDREN和WS_CLIPSIBLINGS風(fēng)格，確保成功地設(shè)置像素格式。
2.2 添加消息響應(yīng)函數(shù)
　利用MFC ClassWizard為CMySDOpenGLView類添加消息WM_CREATE、WM_DESTROY、WM_SIZE和WM_TIMER的響應(yīng)函數(shù)。
　首先在OnCreate方法中初始化OpenGL，并設(shè)置定時(shí)器。
　然后在OnTimer響應(yīng)函數(shù)中添加定時(shí)器響應(yīng)函數(shù)和場(chǎng)景更新命令，使得程序按照定時(shí)器設(shè)置的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行中斷，并調(diào)用OnDraw對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行更新、渲染。
　第三步，添加OnSize函數(shù)對(duì)用戶進(jìn)行窗口調(diào)整的消息進(jìn)行響應(yīng)，并即時(shí)調(diào)整窗口的大小[5]。
　最后，當(dāng)關(guān)閉窗口時(shí)，將值NULL（或0）賦值給wglMakeCurrent（）的參數(shù)hRC后，調(diào)用wglDeleteContext（）刪除繪制描述表，并刪除調(diào)色板和定時(shí)器。
3 基于粒子系統(tǒng)的噴泉模擬
　構(gòu)造可視化系統(tǒng)的建模技術(shù)大致可以分為兩類：幾何建模和行為建模。幾何建模處理物體的幾何和形狀的表示，研究圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基本問(wèn)題；行為建模處理物體運(yùn)動(dòng)和行為的描述。
一個(gè)粒子系統(tǒng)由大量稱為粒子的簡(jiǎn)單體素構(gòu)成。每個(gè)粒子有一組屬性，如位置、速度、顏色和生命期。一個(gè)粒子究竟有什么樣的屬性，主要取決于具體的應(yīng)用。粒子的初值由隨機(jī)過(guò)程產(chǎn)生。粒子往往由位于空間的某個(gè)地方的粒子源產(chǎn)生。
　粒子系統(tǒng)也利用了隨機(jī)過(guò)程，并常將物體的幾何和行為組合在一個(gè)有機(jī)模型中。
一個(gè)粒子系統(tǒng)是不斷進(jìn)化的。在生命期的每一刻，都要完成以下4步工作：
?。?）粒子源產(chǎn)生新粒子。產(chǎn)生任意數(shù)目的新粒子，它們的初始屬性由隨機(jī)過(guò)程控制。每個(gè)粒子都有一個(gè)生命期，如果某些粒子不應(yīng)刪除，則可以賦予它無(wú)限長(zhǎng)的生命期。
　（2）更新現(xiàn)有粒子屬性。例如，若粒子有位置和速度屬性，在模擬重力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以如下更新粒子的位置和速度屬性：
v=v+gts=s+vt
在該步中，粒子的生命期遞減一個(gè)時(shí)間步。
?。?）刪除“死”粒子。檢查粒子的生命期，若為0則將粒子從系統(tǒng)中刪除。
　（4）繪制粒子。顯示粒子系統(tǒng)中所有現(xiàn)存的粒子。
在一般情況下，粒子的幾何特征十分簡(jiǎn)單，可以采用一個(gè)像素或小的多邊形來(lái)代表[6]。
3.1 粒子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義
　粒子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義如下：
struct particle
{
float t； //粒子的生命期
float vel； //粒子運(yùn)動(dòng)的速度
float dir； //粒子運(yùn)動(dòng)的方向
float x，y，z； //粒子的位置坐標(biāo)
float xd，zd； //粒子的X和Z方向增加值
char type； //粒子類型（運(yùn)動(dòng)或淡化）
float a； //淡化alpha值
struct particle*next，*prev；
}；
3.2 繪制噴泉
3.2.1 先構(gòu)造一個(gè)場(chǎng)景
　由于重點(diǎn)是噴泉，因此簡(jiǎn)單構(gòu)造一個(gè)模擬的地面能突出噴泉就可以了。實(shí)現(xiàn)代碼如下：
　glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）；
　glLoadIdentity（）；
　glBindTexture（GL_TEXTURE_2D，texture[1]）；
　a+=0.2；
　gluLookAt（cam.x，cam.y，cam.z，0，0，0，upv.x，upv.y， upv.z）；
3.2.2 噴泉的渲染處理
　噴泉的渲染處理過(guò)程主要是利用了OpenGL的特征函數(shù)[7]和方法，主要進(jìn)行了兩方面的處理：（1）將噴泉模型渲染成紋理文件[8]；（2）采用透明紋理渲染技術(shù)[9]。
3.2.3 噴泉的實(shí)現(xiàn)
　在構(gòu)造了簡(jiǎn)單的地面場(chǎng)景后，取以原點(diǎn)為中心的圓周上的均勻點(diǎn)序列作為噴泉的噴射點(diǎn)，按照上述提到的繪制方法[10]即完成了噴泉的動(dòng)態(tài)模擬。噴泉系統(tǒng)模擬的主要關(guān)鍵代碼在于向內(nèi)存中添加渲染粒子，即函數(shù)AddParticles（），之后粒子將按照預(yù)定的軌道運(yùn)行，其主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：
//添加新的粒子
void CMyFountainView：：AddParticles（）
{
struct particle*tempp；
int i， j；

for （j=0；j18；j++）
for （i=0；i2；i++）
{
tempp=（struct particle*）malloc（sizeof（struct particle））；
if （fn[j]）fn[j]->prev=tempp；
tempp->next=fn[j]；
fn[j]=tempp；

tempp->t=-9.9； //粒子的生命期
tempp->v=（float）（rand（）%200000）/100000+1；
// 粒子速度
tempp->d=（float）（rand（）%400）/100-2；
//粒子方向
tempp->x=20*cos（（j*3.14159）/180）； //開(kāi)始位置的坐標(biāo)
tempp->y=0；
tempp->z=20*sin（（j*3.14159）/180）；
tempp->xd=cos（（tempp->d*3.14159）/180）*tempp->v/4；
tempp->zd=sin（（tempp->d*3.14159）/180）*tempp->v；
tempp->type=0； //粒子狀態(tài)為運(yùn)動(dòng)
tempp->a=1； //粒子淡化
}
}
　噴泉的效果顯示如圖1所示。

　通過(guò)改變程序中alpha（圓的內(nèi)接正多邊形圓心角）的值，可以改變噴泉粒子流的股數(shù)。噴泉的粒子流粗細(xì)可通過(guò)改變矢量的乘積來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變“vectl.x*=5；vectl.y*=5；vectl.z*=5；”等式右邊的數(shù)值可以控制，圖1就是改為“5；3；2；”的結(jié)果。
　通過(guò)上述的試驗(yàn)比較可知，噴泉粒子流的股數(shù)和每股粒子流的粒子數(shù)目都會(huì)影響到噴泉模擬效果的真實(shí)感[11]。
　越來(lái)越多的人注意到使用Visual C++和OpenGL開(kāi)發(fā)三維圖形動(dòng)畫(huà)軟件的有利之處，但是有關(guān)OpenGL的資料大多都是介紹基本的編程指南或者一些基礎(chǔ)的原理或方法，卻很少有大型的與應(yīng)用有關(guān)的編程案例，而且有也大多都是基于Win32的類來(lái)實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的圖形功能，介紹MFC與OpenGL連接的資料卻少之又少，本文主要是在MFC下實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的噴泉模擬程序，主要的創(chuàng)新點(diǎn)是分析了MFC下消息響應(yīng)的內(nèi)部機(jī)制，所以希望本次的探索能對(duì)以后利用MFC開(kāi)發(fā)出更高效的程序有所幫助。
參考文獻(xiàn)
[1] 和平鴿工作室.OpenGl高級(jí)編程與可視化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)（高級(jí)編程篇）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.
[2] 徐明亮，盧紅星，王琬.OpenGl游戲編程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.
[3] REEVES W T. Particle systems-a technique for modeling a class of fuzzy objects[J]. ACM Transations on Graphics（TOG）， 1983，2（2）：359-376.
[4] 周建龍，肖春.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論與OpenGl編程實(shí)踐[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2007.
[5] 孫鑫，余安萍.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.
[6] 雷曉，胡倩.基于Direct3D的粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010（11-1）.
[7] 張芹，吳慧中，謝雋毅.基于粒子系統(tǒng)的火焰模型及其生產(chǎn)方法研究[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)報(bào)，2001，13（1）：78-82.
[8] PHONG B T. Illunimation for computer generated pictures[J].Communications of the ACM，1975，18（6）：311-317.
[9] 侯陽(yáng)，迪克.三維圖形動(dòng)畫(huà)編程實(shí)例[M].海洋出版社，1993.
[10] 楊春雨.基于粒子系統(tǒng)的噴泉?jiǎng)赢?huà)模擬[J].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)出版社，2008.
[11] 凌云，儲(chǔ)林波.用Visual C++中的MFC和OpenGl建立三維圖形應(yīng)用環(huán)境[J].微型機(jī)與應(yīng)用，1998，17（4）：8-10.