基于MFC和OpenGL的噴泉模擬實(shí)現

　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）具有不規則性、復雜性與隨機性，且隨著(zhù)時(shí)間變化形狀會(huì )隨之變化，對其進(jìn)行逼真的實(shí)時(shí)模擬十分困難，需要大量的計算量和數據量。在虛擬環(huán)境中，自然景物的視覺(jué)效果直接影響到觀(guān)察者對周?chē)h(huán)境的感知，所以開(kāi)發(fā)一個(gè)既能滿(mǎn)足逼真度要求，又能實(shí)時(shí)顯示的粒子系統是非常必要的。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算機圖形程序就成為眾多學(xué)者的追求目標。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)跨平臺的三維圖形庫，可在Windows、Unix和Mac等平臺上運行。而Visual C++完善的基本類(lèi)庫MFC和應用向導AppWizard使得開(kāi)發(fā)一個(gè)復雜的應用程序變得輕松自如。如果將兩者結合，便可開(kāi)發(fā)出較高水平的Windows下三維圖形應用程序[1]。
　在3D游戲的渲染過(guò)程中，傳統的建模方法一般只適用于外形比較規則的形體，對于那些像雨、雪、瀑布、噴泉以及火焰等沒(méi)有固定形狀，甚至要隨著(zhù)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(chēng)為模糊物體建模，該方法就是粒子系統，它的出現正好解決了上述問(wèn)題[3]。
　OpenGL函數庫和操作系統無(wú)關(guān)，它有自己的獨特設計，與Windows的圖像設備接口GDI模型以及多數MFC應用程序的建立方法不太一致。在Windows系統中，這樣的一組函數稱(chēng)為wiggle函數，每個(gè)wiggle函數的前綴是“wgl”。
　在Win32下，首先必須重新設置畫(huà)圖窗口的像素格式，使其符合OpenGL對像素格式的需要。為此，聲明一個(gè)PIXELFORMATDESCRIPTOR結構的變量，并適當設置其結構成員的值，使其支持OpenGL及其顏色模式。再以此變量為參數調用ChoosePixelFormat（），分配一個(gè)像素格式號，然后調用SetPixelFormat（）將其設置為當前像素格式。
　完成了像素格式的重新設置后，需要為OpenGL建立繪制描述表（Render Context）。繪制描述表的作用類(lèi)似于Windows中的設備描述表（Device Context）。只有建立了繪制描述表RC后，OpenGL才能調用繪圖原語(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，包括建立、復制、使用、刪除和查詢(xún)等，它們都以wgl為詞頭。RC是以線(xiàn)程為單位的，每一個(gè)線(xiàn)程必須使用一個(gè)RC作為當前RC才能執行OpenGL繪圖原語(yǔ)。
　wglCreateContext（）是建立繪制描述表的函數，它以一個(gè)指向GDI設備描述表的句柄為參數，返回一個(gè)與此設備描述表相關(guān)聯(lián)的繪制描述表句柄。在以此2句柄為參數調用函數wglMakeCurrent（），使RC成為線(xiàn)程當前使用的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單文檔應用程序框架，名稱(chēng)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，確保成功地設置像素格式。
2.2 添加消息響應函數
　利用MFC ClassWizard為CMySDOpenGLView類(lèi)添加消息WM_CREATE、WM_DESTROY、WM_SIZE和WM_TIMER的響應函數。
　首先在OnCreate方法中初始化OpenGL，并設置定時(shí)器。
　然后在OnTimer響應函數中添加定時(shí)器響應函數和場(chǎng)景更新命令，使得程序按照定時(shí)器設置的時(shí)間步長(cháng)進(jìn)行中斷，并調用OnDraw對場(chǎng)景進(jìn)行更新、渲染。
　第三步，添加OnSize函數對用戶(hù)進(jìn)行窗口調整的消息進(jìn)行響應，并即時(shí)調整窗口的大小[5]。
　最后，當關(guān)閉窗口時(shí)，將值NULL（或0）賦值給wglMakeCurrent（）的參數hRC后，調用wglDeleteContext（）刪除繪制描述表，并刪除調色板和定時(shí)器。
3 基于粒子系統的噴泉模擬
　構造可視化系統的建模技術(shù)大致可以分為兩類(lèi)：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，研究圖形數據結構等基本問(wèn)題；行為建模處理物體運動(dòng)和行為的描述。
一個(gè)粒子系統由大量稱(chēng)為粒子的簡(jiǎn)單體素構成。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用。粒子的初值由隨機過(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。
　粒子系統也利用了隨機過(guò)程，并常將物體的幾何和行為組合在一個(gè)有機模型中。
一個(gè)粒子系統是不斷進(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)生任意數目的新粒子，它們的初始屬性由隨機過(guò)程控制。每個(gè)粒子都有一個(gè)生命期，如果某些粒子不應刪除，則可以賦予它無(wú)限長(cháng)的生命期。
?。?）更新現有粒子屬性。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則將粒子從系統中刪除。
?。?）繪制粒子。顯示粒子系統中所有現存的粒子。
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 粒子數據結構的定義
　粒子數據結構的定義如下：
struct particle
{
float t； //粒子的生命期
float vel； //粒子運動(dòng)的速度
float dir； //粒子運動(dòng)的方向
float x，y，z； //粒子的位置坐標
float xd，zd； //粒子的X和Z方向增加值
char type； //粒子類(lèi)型（運動(dòng)或淡化）
float a； //淡化alpha值
struct particle*next，*prev；
}；
3.2 繪制噴泉
3.2.1 先構造一個(gè)場(chǎng)景
　由于重點(diǎn)是噴泉，因此簡(jiǎn)單構造一個(gè)模擬的地面能突出噴泉就可以了。實(shí)現代碼如下：
　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[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
　在構造了簡(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。噴泉系統模擬的主要關(guān)鍵代碼在于向內存中添加渲染粒子，即函數AddParticles（），之后粒子將按照預定的軌道運行，其主要實(shí)現代碼如下：
//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
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（圓的內接正多邊形圓心角）的值，可以改變噴泉粒子流的股數。噴泉的粒子流粗細可通過(guò)改變矢量的乘積來(lái)實(shí)現，通過(guò)改變“vectl.x*=5；vectl.y*=5；vectl.z*=5；”等式右邊的數值可以控制，圖1就是改為“5；3；2；”的結果。
　通過(guò)上述的試驗比較可知，噴泉粒子流的股數和每股粒子流的粒子數目都會(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的原理或方法，卻很少有大型的與應用有關(guān)的編程案例，而且有也大多都是基于Win32的類(lèi)來(lái)實(shí)現一些簡(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下消息響應的內部機制，所以希望本次的探索能對以后利用MFC開(kāi)發(fā)出更高效的程序有所幫助。
參考文獻
[1] 和平鴿工作室.OpenGl高級編程與可視化系統開(kāi)發(fā)（高級編程篇）[M].北京：中國水利水電出版社，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.計算機圖形學(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的粒子系統設計[J].微計算機信息，2010（11-1）.
[7] 張芹，吳慧中，謝雋毅.基于粒子系統的火焰模型及其生產(chǎn)方法研究[J].計算機輔助設計與圖形學(xué)報，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.基于粒子系統的噴泉動(dòng)畫(huà)模擬[J].長(cháng)春：吉林大學(xué)出版社，2008.
[11] 凌云，儲林波.用Visual C++中的MFC和OpenGl建立三維圖形應用環(huán)境[J].微型機與應用，1998，17（4）：8-10.