基于粒子系統(tǒng)的位置可控有聲煙花模擬

李 海，汪繼文

（安徽大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1983年，由REEVES W T等人提出的粒子系統(tǒng)繪制算法被認(rèn)為是迄今為止模擬不規(guī)則模糊物體最為成功的算法[1]，使得具有不規(guī)則幾何形狀、內(nèi)在不確定性且運(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)性的模糊物體的虛擬仿真模擬上了一個(gè)新的臺(tái)階。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多研究者采用粒子系統(tǒng)對(duì)自然景物進(jìn)行成功模擬，如王曉娟對(duì)禮花進(jìn)行了模擬[2]，肖何等人成功地進(jìn)行了噴泉仿真[3]。本文在以上理論的基礎(chǔ)上，通過(guò) VC＋＋和OpenGL開發(fā)工具，利用鼠標(biāo)注冊(cè)回調(diào)等函數(shù)[4]對(duì)煙花燃放的位置加以控制，并加入了音頻技術(shù)，從視覺(jué)和聽覺(jué)兩個(gè)方面上進(jìn)一步增強(qiáng)了煙花爆炸模擬的靈活性、逼真性和沉浸感。

1 粒子系統(tǒng)基本原理

粒子系統(tǒng)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的靜態(tài)模型，而是一種過(guò)程計(jì)算模型。粒子系統(tǒng)是由許多簡(jiǎn)單形狀的微小粒子（如球體、橢球、立方體、點(diǎn)、線等）作為基本元素聚集起來(lái)形成一個(gè)不規(guī)則的模糊物體，并以這些粒子充滿物體，使其呈現(xiàn)各式各樣的形狀，從而構(gòu)成的一個(gè)封閉的系統(tǒng)。

組成粒子系統(tǒng)的每個(gè)粒子都有一組屬性，包括位置、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度、形狀、大小、顏色、透明度、運(yùn)動(dòng)方向和生命周期等，這些屬性隨著時(shí)間的推移在不斷地變化。一個(gè)粒子究竟有什么樣的屬性主要取決于其實(shí)現(xiàn)的具體應(yīng)用。

一般情況下，系統(tǒng)中的每個(gè)粒子都會(huì)隨著虛擬世界時(shí)間的流逝經(jīng)歷一個(gè)產(chǎn)生—活動(dòng)—消亡3個(gè)階段的流程[5]，如圖 1所示。

圖1 粒子系統(tǒng)流程圖

2 煙花粒子系統(tǒng)建模

2.1 建立坐標(biāo)系

本文建立的坐標(biāo)系以屏幕的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，從左到右的方向?yàn)閄軸的正方向，從下到上為Y軸的正方向，從屏幕里面指向外面的方向?yàn)閆軸正方向[6]。

2.2 煙花及粒子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

煙花粒子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

2.3 煙花粒子系統(tǒng)的初始化

煙花粒子系統(tǒng)的初始化就是賦予煙花粒子屬性初始狀態(tài)。在煙花系統(tǒng)中，每個(gè)煙花由一組具有相似性質(zhì)的煙花粒子組成，每一幀煙花的更新就是這組煙花粒子的更新。這里把每組粒子數(shù)定義為一個(gè)常數(shù)MAX＿PARTICLES，這個(gè)常數(shù)的選擇很重要[7]，如果過(guò)大，會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；如果過(guò)小，則會(huì)影響煙花模擬的真實(shí)性。

通過(guò)隨機(jī)函數(shù)rand（）和參數(shù)控制煙花的初始位置、初始顏色、速度、加速度、生命周期及衰減速率。其中，顏色的初始化可以在模型中定義各種顏色到一個(gè)顏色數(shù)組中，然后通過(guò)隨機(jī)函數(shù)rand（）調(diào)用。粒子的運(yùn)動(dòng)受到各種外力的影響，包括重力和空氣阻力等，在本實(shí)驗(yàn)中，只考慮垂直方向重力所產(chǎn)生的加速度。

2.4 煙花粒子的運(yùn)動(dòng)更新

煙花粒子運(yùn)動(dòng)更新是整個(gè)煙花系統(tǒng)中最重要的組成部分，就是確定每一時(shí)刻當(dāng)前粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括該時(shí)刻粒子的位置、速度和生命值等各種屬性值。而這些屬性又是由上一幀屬性狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律決定的。粒子下一幀的位置為：

其中，當(dāng)前幀位置為（sx（t），sy（t），sz（t）），當(dāng)前幀速度為（vx（t），vy（t），vz（t））； 下 一 幀 的 位 置 為 （sx（t＋dt），sy（t＋dt），sz（t＋dt）），下 一 幀 的 速 度 為 （vx（t＋dt），vy（t＋dt），vz（t＋dt）），dt為 連 續(xù) 兩幀間的時(shí)間間距。

2.5 煙花粒子的消亡

煙花粒子從生成開始到消失所經(jīng)歷的時(shí)間是其在整個(gè)煙花系統(tǒng)中的生命周期。初始化粒子的生命值為1，為每個(gè)煙花粒子定義在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)衰減因子，衰減因子越大，粒子生命周期越短；相反，衰減因子越小，粒子生命周期越長(zhǎng)。隨著時(shí)間的推移，單個(gè)煙花粒子的生命值也在逐漸減少，直到為0，則從系統(tǒng)中刪除此粒子。

2.6 OpenGL中的紋理映射與色彩混合技術(shù)

2.6.1 色彩融合技術(shù)

色彩融合技術(shù)是將輸入的像素段與幀緩存中目標(biāo)區(qū)域中的像素相結(jié)合生成新的像素。當(dāng)煙花粒子逐漸消亡時(shí)，顏色漸漸消退，最終達(dá)到與背景融為一體的效果。融合公式為：

（Rs×Sr＋Rd×Dr，Gs×Sg＋Gd×Dg，Bs×Sb＋Bd×Db，As×Sa＋Ad×Da）（3）

源 因 子 為 （Sr，Sg，Sb，Sa），目 的 因 子 為 （Dr，Dg，Db，Da）。 其中，Rs、Rd、Gs、Gd、Bs、Bd、As、Ad 是由紋理函數(shù)設(shè)置的紋理映射方式參數(shù)。

2.6.2 紋理映射技術(shù)

紋理映射技術(shù)是將紋理空間中的紋理像素與某個(gè)物體對(duì)應(yīng)的像素顏色相互結(jié)合的技術(shù)，從而達(dá)到簡(jiǎn)化建模過(guò)程的作用，并且可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，模擬物體表面豐富的紋理細(xì)節(jié)，提高圖形的逼真性。本文以矩形作為繪制煙花粒子的基本圖元，利用紋理映射和色彩融合技術(shù)將一幅二維的BMP格式的煙花圖片（如圖2所示）映射至該矩形圖元上。

圖2 煙花紋理圖片

3 位置可控?zé)熁M

OpenGL應(yīng)用工具包GLUT中封裝有鼠標(biāo)消息注冊(cè)回調(diào)函數(shù)，利用此函數(shù)可以很好地控制煙花的位置，從而進(jìn)一步增強(qiáng)煙花模擬的可控性和靈活性。

鼠標(biāo)的按下、松開或移動(dòng)等操作都可以產(chǎn)生相應(yīng)的鼠標(biāo)消息，這些消息在應(yīng)用程序開發(fā)中出現(xiàn)，常常需要處理。GLUT對(duì)這幾種常用的鼠標(biāo)消息進(jìn)行了封裝，glutMontionFunc（void（*func）（intbutton，intstate，intx，int y））可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鼠標(biāo)左鍵、右鍵或中鍵的按下、松開等操作的消息響應(yīng)。其中，button是左鍵、右鍵和中鍵的標(biāo)志，state是按下、松開的標(biāo)志。

用鼠標(biāo)單擊屏幕，系統(tǒng)把單擊的位置傳送給鼠標(biāo)消息注冊(cè)回調(diào)函數(shù) glutMontionFunc（mouseFunc），通過(guò)一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換生成最終需要的OpenGL坐標(biāo)，然后煙花在此位置上發(fā)生爆炸。主要實(shí)現(xiàn)的代碼如下：

4 音頻與煙花爆炸同步

OpenGL本身不支持音頻，本文使用了Win32的API函 數(shù) 庫(kù) 中 的 PlaySound （LPCSTR pszSound，HMODULE hmod，DWORD fdwSound）函數(shù)實(shí)現(xiàn)音頻與煙花爆炸的同步。 引入 windows.h 頭文件（＃include＜windows.h＞），后面加上如下代碼：

DWORD fdwSound）只能實(shí)現(xiàn) WAV格式的文件，其他音頻文件可以通過(guò)別的軟件進(jìn)行剪切并轉(zhuǎn)化為WAV格式。參數(shù)pszSound是指定了要播放聲音的字符串，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)為WAVE文件的名字；參數(shù)fdwSound是標(biāo)志的組合，為實(shí)現(xiàn)同步和引入音頻文件，將其設(shè)為SND＿FILENAME｜SND＿SYNC。主要實(shí)現(xiàn)的代碼如下：

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估與分析

實(shí)驗(yàn)利用粒子系統(tǒng)對(duì)煙花生成的過(guò)程進(jìn)行仿真，應(yīng)用了OpenGL的紋理映射、色彩混合、顯示列表、加入背景圖片、插入音頻和控制位置等技術(shù)，結(jié)果如圖3所示。圖3是運(yùn)用可以截取鼠標(biāo)位置的紅蜻蜓截圖工具截取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖片，從圖中可以清晰地看見(jiàn)在鼠標(biāo)的位置上煙花發(fā)生了爆炸。

圖3 位置控制的煙花

運(yùn)用粒子系統(tǒng)對(duì)不規(guī)則模糊物體進(jìn)行模擬是一個(gè)有效的方法。本實(shí)驗(yàn)從系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、簡(jiǎn)單性、靈活性和逼真性角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)了煙花模型模擬，采用了紋理映射和顯示列表技術(shù)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；采用了色彩融合技術(shù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的逼真性；加入了背景圖，提高了模擬的真實(shí)感；通過(guò)提取鼠標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙花爆炸位置的控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性；加入了音頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煙花爆炸和聲音的同步，增強(qiáng)了系統(tǒng)的沉浸感。

[1]REEVES W T.Particle systems－a technique for modeling a class of fuzzy objects[J]. Computer Graphics，1983，17（3）：359－376.

[2]王曉娟.基于粒子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)煙花的模擬[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（4）：29－32.

[3]肖何，何明耘，白忠建.OpenGL中基于粒子系統(tǒng)的噴泉模擬實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2007（12）：201-204.

[4]SHREINER D.OpenGL 編 程 指 南[M].李 軍 ， 徐 波 ， 譯 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5]葛芳，張成，韋穗，等.基于粒子系統(tǒng)的煙花動(dòng)畫設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20（8）：180－183.

[6]汪繼文，胡文平，金余鋒.基于粒子系統(tǒng)的 8字動(dòng)態(tài)煙花仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2010，27（10）：211－214.

[7]丁紀(jì)云，陳利平，李思昆.基于OpenGL的煙花動(dòng)態(tài)模擬方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī) 工 程 ，2002，20（4）：233－250.