基于OpenGL的粒子系統(tǒng)的噴泉模擬

吳鴻基

摘要：噴泉景物模擬可以被廣泛地運用于能源、娛樂、游戲開發(fā)等等行業(yè)領域，但噴泉景物具有流動性、隨機性，而粒子系統(tǒng)是目前模擬不規(guī)則模糊景物的最成功的算法。本文加入力場以及透明度，利用OpenGL底層圖形庫的高性能設計出高真實度粒子系統(tǒng)噴泉模型。最后通過在普通PC機上運用VS2010編程實現(xiàn)模擬，顯示模擬圖形具有很好的實時性和真實度，可以滿足一般的動畫需求。

關鍵詞：粒子系統(tǒng)；噴泉模擬；OpenGL

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）14-0217-02

1 引言

人們不斷尋求更多的人機交互的方法，自然景物的三維圖形模擬也便成為其中非常熱門的領域。而粒子系統(tǒng)就是目前被認為是模擬不規(guī)則模糊景物的最成功的算法。

1983年，Reeves[1]首次提出粒子系統(tǒng)的概念，這種算法擁有很好的動態(tài)性和隨機性，是以往圖形學中幾何建模無法比擬的。萬華根[2]等人提出了N-S方程的一個求解特例，用圓球作為粒子元模擬出噴泉，但計算復雜，計算量大。本文結(jié)合粒子的物理動力學，在基于OpenGL的環(huán)境下渲染粒子，以實現(xiàn)對于噴泉模擬高真實度的要求。

2 高真實度粒子系統(tǒng)算法

粒子系統(tǒng)主要分為以下幾步[3]：生成新的粒子，粒子死亡，繪制粒子。如下圖1所示。

1）生成適量的新的粒子：粒子會在系統(tǒng)中的一個點產(chǎn)生，生成后會被賦予其獨立的屬性，具體初始屬性有如下幾種：初始速度V、初始方向D、X方向初速度VX、Y方向初速度VY、Z方向初速度VZ、運動狀態(tài)Type、粒子淡化[4]Alpha、粒子能在空中的最高高度H。

之后粒子開始運動，粒子的各項屬性不斷更新。粒子的位置從t0開始作為時間軸，每隔△t進行一次位置變換。

3）利用OpenGL函數(shù)繪制粒子：接下來要做的是將這些粒子制作成水滴的形狀和顏色，因此可以運用3D彩色點渲染粒子。本文選擇四邊形作為基本紋理圖案紋理映射。因為每個四邊形都是不能被看到的，所以在坐標系中，所有四邊形面片都設置為平行于XOY平面[5]。如下圖1：

根據(jù)這四個頂點的坐標，再調(diào)用OpenGL函數(shù)進行紋理映射。OpenGL中函數(shù)glTexCoord可以用來設置紋理坐標，結(jié)合四邊形坐標設置紋理映射位置。再調(diào)用OpenGL函數(shù)glVertex3f映射水滴的紋理圖片，此時也就完成了對應的粒子紋理融合。

繪制過程中，當兩個或多個四邊形粒子重合時，通過啟用opengl中的混合功能來使水珠粒子融合在一起：

以便讓所有具有不同Z坐標（深度值）的粒子繪制并平滑地混合在一起。OpenGL函數(shù)的調(diào)用給粒子進行了繪制和融合，使模型的噴泉水滴更真實，水滴的運動過程符合客觀規(guī)律，增強了粒子系統(tǒng)的真實度。

3 實驗結(jié)果分析

結(jié)合粒子系統(tǒng)的原理以及OpenGL圖形庫在電腦上進行操作。先對粒子系統(tǒng)進行試驗，設計粒子初始位置為屏幕的中心。初始最大粒子數(shù)根據(jù)多次試驗，選取1000為最適合觀察的數(shù)量。開始的粒子速度設定為隨機，就會在粒子誕生后有一個爆炸效果，但因為設置的粒子加速度x軸為0，y軸為-0.8，z軸為0，粒子會出現(xiàn)統(tǒng)一向下的運動。設定粒子的顏色有紅黃藍三種顏色參數(shù)，設定三色參數(shù)隨機改變，粒子系統(tǒng)也就形成彩色狀態(tài)，最終形成下面圖3產(chǎn)生的效果。根據(jù)初始狀態(tài)進行試驗，改變最大粒子數(shù)，選取了最大粒子數(shù)為100和10000的分別進行比較，如下圖4是對屏幕內(nèi)最大粒子數(shù)100和屏幕內(nèi)最大粒子數(shù)10000的粒子系統(tǒng)效果比較。

粒子在運動過程中保持初始設定的加速度，粒子運動統(tǒng)一，增加粒子y軸的加速度，粒子呈現(xiàn)如圖5的效果圖，恢復初始狀態(tài)后增加x軸加速度效果如圖6所示

進行以上試驗后，對于設定不同粒子各項參數(shù)產(chǎn)生的不同效果進行了了解，再開始設計噴泉的效果圖。實驗為噴泉模型，只設置重力作用，粒子系統(tǒng)內(nèi)粒子加速度都設置為向下的重力加速度[6]。

可知水珠粒子的運動速度v和位置p

v為水珠粒子的當前速度，v0為水珠粒子的初始速度，g為水珠粒子的加速度，t為時間的變化，p為當前位置，p0為初始位置。

然后開始生成粒子并賦予粒子初始屬性，粒子的初始速度全為垂直向上。最終就得到動態(tài)的數(shù)個噴泉，如圖7所示。

得到的噴泉粒子具有隨機性，噴泉模型具有動態(tài)感，粒子運動軌跡符合自然中噴泉水滴的重力場作用，粒子的落地消失也符合自然中噴泉水滴的客觀規(guī)律。經(jīng)過多次試驗，選取的粒子最大量達到了真實度和計算效率的平衡，實現(xiàn)了模型對于真實度的要求。

4 結(jié)語

以上著重討論對噴泉粒子系統(tǒng)在OpenGL環(huán)境下的建模方式，主要為：粒子的初始屬性設定，粒子在生命周期內(nèi)的運動，粒子的消亡以及粒子的繪制，加入重力場。實現(xiàn)出來的粒子系統(tǒng)具有動態(tài)性、高真實度?？紤]粒子系統(tǒng)動態(tài)性，設計粒子系統(tǒng)內(nèi)粒子數(shù)量范圍以及粒子力場的建立是實現(xiàn)真實度的關鍵部分。粒子的Alpha參數(shù)帶來的落地消亡效果更增強了噴泉的真實。最后，本文在撰寫過程中，得到了本科學業(yè)導師李暉老師悉心的指導，在此特此感謝！

參考文獻：

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