基于OpenGL的烟花粒子系统

 

动画内容

本动画模拟烟花的燃放过程。烟花燃放从地面升起，升到空中爆炸并产生无数小烟花围成圆形并落下，下落过程中伴随这能量的衰减直到消失。此动画的视角为仰视大致为30°。

名词解释

VC++6.0：一种开发环境；

OpenGL： 是个专业的开放的 3D 程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层 3D 图形库；

glut ： OpenGL Utility Toolkit ；

粒子系统：是许多粒子的集合。在图像学领域里，人们利用粒子系统模拟各种各样的现象，如火花、飞行的鸟群、波浪等。在这些应用中，粒子系统的动力学规律确定了粒子的位置，在每个位置上，我们放置了一个图形对象，而不是一个点。 [1]

运行环境

硬件要求	奔腾4 2.0GHZ以上，显卡X550（128bit位宽，128MB显存）以上。
软件要求	Windows2K/XP操作系统、VC＋＋6.0 、并支持OpenGL glut工具包。

详细设计

粒子的数据结构定义

typedef struct

{

         float x,y,z;         // 粒子位置

         float xSpeed, ySpeed, zSpeed; // 粒子的速度

         float xg, yg, zg;// 粒子的运动加速度

         float r,g,b;         // 粒子的颜色

         int style;     // 粒子是上升还是下降

}PARTICLES;

烟花的数据结构定义

#define MAX_PARTICLES 24         // 小烟花的个数

#define MAX_TAIL 30       // 烟花尾部长度

#define MAX_FIRE 5        // 烟花的个数

struct

{

         PARTICLES particle[MAX_PARTICLES][MAX_TAIL]; // 烟花系统数组

         GLfloat  life, fade, rad;  // 烟花的生命，衰减速度、和 x － z 平面上的运动速度

} Fire[MAX_FIRE];

烟花燃放过程建模及实现

烟花从地面的某一点生成并向上（ y 轴方向）作减速运动，在 x ， z 轴方向速度为 0 。当 y 方向速度为 0 时烟花爆炸生成小烟花。此时给烟花的 x － z 平面上的速度 rad 赋初值，并将其分解到 x ， z 方向上（与坐标轴的夹角根据下标确定）， y 轴的加速度不变至此小烟花运动轨迹为抛物线。爆炸后位置坐标变化的数学模型为：

 X = rad*cos(a);

   Y = yspeed + gt;

Z = rad*sin(a);

下面是烟花系统赋初始值（ init （）函数主要源代码 ）

for(loop2=0; loop2

{

        // 初始位置

                   xtemp = rand()%30 -15;

                   ytemp = (-1)*rand()%5-8;

                   ztemp = (-1)*rand()%5 -100;

                   speed = rand()%5+10; // x － z 平面上的运动速度

                   Fire[loop2].life = 1.0f; 

                   Fire[loop2].fade = (float)(rand()%100)/20000+0.002f;

                   Fire[loop2].rad = rand()%3+4;

                   for (loop=0; loop

                   {

                            Fire[loop2].particle[loop][0].style = 0;

              // 初始位置

                            Fire[loop2].particle[loop][0].x = xtemp;

                            Fire[loop2].particle[loop][0].y = ytemp;

                            Fire[loop2].particle[loop][0].z = ztemp;

              // 初始速度

                            Fire[loop2].particle[loop][0].xSpeed =0.0f;

                            Fire[loop2].particle[loop][0].ySpeed =speed;

                            Fire[loop2].particle[loop][0].zSpeed =0.0f;

              // 初始加速度

                            Fire[loop2].particle[loop][0].xg =0.0f;

                            Fire[loop2].particle[loop][0].yg =-2.0f;

                            Fire[loop2].particle[loop][0].zg =0.0f;

              // 初始颜色

                            Fire[loop2].particle[loop][0].r =1.0f;

                            Fire[loop2].particle[loop][0].g =1.0f;

                            Fire[loop2].particle[loop][0].b =1.0f;

            // 尾部初始化

                            for(loop1=1;loop1

                            {

                                     Fire[loop2].particle[loop][loop1].x=Fire[loop2].particle[loop][0].x;

                                     Fire[loop2].particle[loop][loop1].y=Fire[loop2].particle[loop][0].y;

                                     Fire[loop2].particle[loop][loop1].z=Fire[loop2].particle[loop][0].z;

                            } //for1 end

                   }//for2 end

         }// for3 end

粒子的运动位置变化（ idle （）函数主要源代码 ）

for(loop=0;loop

{

// 粒子位置更新

Fire[loop2].particle[loop][0].x += Fire[loop2].particle[loop][0].xSpeed/(speedFator*1000.0f);

Fire[loop2].particle[loop][0].y += Fire[loop2].particle[loop][0].ySpeed/(speedFator*1000.0f);

Fire[loop2].particle[loop][0].z += Fire[loop2].particle[loop][0].zSpeed/(speedFator*1000.0f);

                           

// 粒子速度更新

Fire[loop2].particle[loop][0].ySpeed +=Fire[loop2].particle[loop][0].yg/(speedFator*1000.0f);

if(Fire[loop2].particle[loop][0].style==0 && Fire[loop2].particle[loop][0].ySpeed <2.0)

         {

                  Fire[loop2].particle[loop][0].style = 1;

                   Fire[loop2].particle[loop][0].r = colors[color][0];                                          

                   Fire[loop2].particle[loop][0].g = colors[color][1];

                   Fire[loop2].particle[loop][0].b = colors[color][2];

       // 速度分解

                   Fire[loop2].particle[loop][0].xSpeed = Fire[loop2].rad*sin(loop*15.0/(2*3.14159));

                   Fire[loop2].particle[loop][0].zSpeed = Fire[loop2].rad*cos(loop*15.0/(2*3.14159));

         }

}

         Fire[loop2].life -= Fire[loop2].fade;     // 生命衰减

粒子的死亡与再生

当粒子的生命减到小于 0 时，粒子死亡（显示过程中用生命值作为显示颜色的第四个参数，即 alpha 值）。然后给粒子重新生成，代码与初始化的代码类似。

后期制作

给动画添加背景图片，背景使用东方明珠夜景。为了体现烟花的真实性，在画完背景图片以后开启混合，使得背景的颜色也随烟花的颜色变化。

         glCallList(1);     // 绘制背景

         glEnable(GL_BLEND); // 开启混合

改变视角，使得照相机仰视大致 30 °，给人以身临其境的感觉。

gluLookAt(0.0,-10.-30,0.0,0.0,10.0,-100.0,0.0,1.0,0.0);

        

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[1]吴文国译.交互式计算机图形学－－基于OpenGL的自顶向下方法（第3版）