基于MFC和OpenGL的噴泉模擬實現(xiàn)

梅章明，張秀山

（海軍工程大學(xué) 計算機工程系，湖北 武漢 430033）

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)雜性與隨機性，且隨著時間變化形狀會隨之變化，對其進行逼真的實時模擬十分困難，需要大量的計算量和數(shù)據(jù)量。在虛擬環(huán)境中，自然景物的視覺效果直接影響到觀察者對周圍環(huán)境的感知，所以開發(fā)一個既能滿足逼真度要求，又能實時顯示的粒子系統(tǒng)是非常必要的。自從OpenGL公布以來，有關(guān)圖形學(xué)方面的書籍、論文等資料就層出不窮，如何利用Open GL開發(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(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，本文就如何利用Open GL在MFC中開發(fā)出一個簡單的噴泉模擬程序作一個簡單探討。

1 OpenGL繪圖環(huán)境初始化

OpenGL是一個跨平臺的三維圖形庫，可在Windows、Unix和 Mac等平臺上運行。而 Visual C++完善的基本類庫MFC和應(yīng)用向?qū)ppWizard使得開發(fā)一個復(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，對于那些像雨、雪、瀑布、噴泉以及火焰等沒有固定形狀，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)正好解決了上述問題[3]。

OpenGL函數(shù)庫和操作系統(tǒng)無關(guān)，它有自己的獨特設(shè)計，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wiggle函數(shù)的前綴是“wgl”。

在Win32下，首先必須重新設(shè)置畫圖窗口的像素格式，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（），分配一個像素格式號，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)用繪圖原語在窗口中做出圖形。Win32API提供了幾個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，每一個線程必須使用一個RC作為當(dāng)前RC才能執(zhí)行OpenGL繪圖原語。

wglCreateContext（）是建立繪制描述表的函數(shù)，它以一個指向GDI設(shè)備描述表的句柄為參數(shù)，返回一個與此設(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使用MFC的OpenGL單文檔應(yīng)用程序框架，名稱為MyFountain。

2.1 PreCreateWindow方法

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)。

光滑極限量規(guī)是具有以孔或軸的最大極限尺寸和最小極限尺寸為公稱尺寸的標(biāo)準(zhǔn)測量面[1]，由于其結(jié)構(gòu)簡單、檢驗效率高、能保證被檢工件在裝配中的互換性要求,因而在大批量生產(chǎn)中被廣泛使用。目前光滑極限量規(guī)的檢定項目包括尺寸、母線直線度、圓度和測量面表面粗糙度[2]，其中圓度和母線的直線度測量主要分別使用圓度儀和輪廓儀，但這幾種儀器只適合在計量實驗室中使用，而且只能檢定一項，無法適合大批量的量規(guī)檢定[3]，因此，有必要研究出一套機電一體化測量方案，可以通過一次裝夾即可自動測量塞規(guī)尺寸和形位誤差，可大大地提高檢定效率和數(shù)字化水平。

首先在OnCreate方法中初始化OpenGL，并設(shè)置定時器。

然后在OnTimer響應(yīng)函數(shù)中添加定時器響應(yīng)函數(shù)和場景更新命令，使得程序按照定時器設(shè)置的時間步長進行中斷，并調(diào)用OnDraw對場景進行更新、渲染。

第三步，添加OnSize函數(shù)對用戶進行窗口調(diào)整的消息進行響應(yīng)，并即時調(diào)整窗口的大小[5]。

最后，當(dāng)關(guān)閉窗口時，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)等基本問題；行為建模處理物體運動和行為的描述。

一個粒子系統(tǒng)由大量稱為粒子的簡單體素構(gòu)成。每個粒子有一組屬性，如位置、速度、顏色和生命期。一個粒子究竟有什么樣的屬性，主要取決于具體的應(yīng)用。粒子的初值由隨機過程產(chǎn)生。粒子往往由位于空間的某個地方的粒子源產(chǎn)生。

粒子系統(tǒng)也利用了隨機過程，并常將物體的幾何和行為組合在一個有機模型中。

一個粒子系統(tǒng)是不斷進化的。在生命期的每一刻，都要完成以下4步工作：

（1）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過程控制。每個粒子都有一個生命期，如果某些粒子不應(yīng)刪除，則可以賦予它無限長的生命期。

（2）更新現(xiàn)有粒子屬性。例如，若粒子有位置和速度屬性，在模擬重力場中的運動時，可以如下更新粒子的位置和速度屬性：

在該步中，粒子的生命期遞減一個時間步。

（3）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單，可以采用一個像素或小的多邊形來代表[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：

3.2 繪制噴泉

3.2.1 先構(gòu)造一個場景

由于重點是噴泉，因此簡單構(gòu)造一個模擬的地面能突出噴泉就可以了。實現(xiàn)代碼如下：

3.2.2 噴泉的渲染處理

噴泉的渲染處理過程主要是利用了OpenGL的特征函數(shù)[7]和方法，主要進行了兩方面的處理：（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 噴泉的實現(xiàn)

在構(gòu)造了簡單的地面場景后，取以原點為中心的圓周上的均勻點序列作為噴泉的噴射點，按照上述提到的繪制方法[10]即完成了噴泉的動態(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)定的軌道運行，其主要實現(xiàn)代碼如下：

噴泉的效果顯示如圖1所示。

通過改變程序中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)可通過改變矢量的乘積來實現(xiàn)，通過改變“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。

圖1 噴泉的效果顯示

通過上述的試驗比較可知，噴泉粒子流的股數(shù)和每股粒子流的粒子數(shù)目都會影響到噴泉模擬效果的真實感[11]。越來越多的人注意到使用Visual C++和OpenGL開發(fā)三維圖形動畫軟件的有利之處，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的類來實現(xiàn)一些簡單的圖形功能，介紹MFC與OpenGL連接的資料卻少之又少，

本文主要是在MFC下實現(xiàn)了一個簡單的噴泉模擬程序，主要的創(chuàng)新點是分析了MFC下消息響應(yīng)的內(nèi)部機制，所以希望本次的探索能對以后利用MFC開發(fā)出更高效的程序有所幫助。

[1]和平鴿工作室.OpenGl高級編程與可視化系統(tǒng)開發(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[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(tǒng)的火焰模型及其生產(chǎn)方法研究 [J].計算機輔助設(shè)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，迪克.三維圖形動畫編程實例[M].海洋出版社，1993.

[10]楊春雨.基于粒子系統(tǒng)的噴泉動畫模擬[J].長春：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(yīng)用環(huán)境[J].微型機與應(yīng)用，1998，17（4）：8-10.