基于粒子系统的喷泉模拟_本科毕业论文.doc

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1、毕业论文论文题目： 基于粒子系统的喷泉模拟 系 别： 计算机系 专业年级： 学 号： 姓名： 指导教师、职称： 年 月 日IIIFountain simulation based on particle system College： Specialty and Grade： Number： Name： Advisor： Submitted time: 目录摘 要1Abstract21 绪 论31.1 研究背景、意义31.2 国内外研究现状41.3 本论文的技术路线52 基于OpenGLMFC的建模基础62.1 OpenGL概述62.2 OpenGL渲染管道62.2.1 求值器62.2.2 基

2、于顶点的操作72.2.3 图元装配72.2.4 像素操作72.2.5 纹理装配72.2.6 光棚化72.2.7 片断操作72.3 MFC概述82.3.1 封装82.3.2 继承92.3.3 虚拟函数和动态约束92.3.4 MFC的宏观框架体系92.4 MFC编程框架102.4.1 构成应用程序对象102.4.2 构成应用程序的对象之间的关系112.4.3 构成应用程序的文件112.5 基于OpenGL+MFC的三维模拟的编程环境配置133 粒子系统的原理和关键技术163.1 计算机图形学原理163.2 粒子系统的理论163.3 粒子系统的基本模型163.3.1 粒子的生成173.3.2 粒子属

3、性初始化173.3.3 粒子的运动状态183.3.4 粒子的消亡193.3.5 粒子的绘制194 系统的设计与实现204.1 系统的关键技术分析204.1.1 喷泉现象的运动规律204.1.2 喷泉现象特征214.2 系统的设计和实现214.2.1 喷泉粒子系统的逻辑视图214.2.2 喷泉粒子系统实现的关键代码234.3 模拟结果285 结论与展望295.1 全文总结295.2 进一步展望29参考文献30致 谢33摘 要自然景物的模拟在视景仿真系统、计算机游戏、三维动画中等有着广泛的运用。自然景物的模拟也一直是计算机图形学中的热门研究课题。然而，大多数自然景物的外形是随机变化的，如：火焰、浪

4、花、河流、瀑布、雨雪、烟雾等，很难用常规的建模方法及模拟技术来描述，因此自然景物的模拟也是具有挑战性的课题。 本文在认真分析和总结目前国内外喷泉模拟的基础上，以实时性和逼真性为目标，提出一种基于粒子系统的虚拟喷泉的模拟方法。结合OpenGL和MFC编程，运用物理原理模拟实现喷泉粒子的运动轨迹时，结合等加速运动来简化粒子运动状态，并采用纹理融合技术实现对粒子的绘制。实验证明该方法实现简单，模拟的喷泉效果满足实时性和逼真性的要求。关键词：粒子系统；喷泉模拟；虚拟现实；0penGLAbstractThe natural scenery in visual simulation system is s

5、imulated, the computer games, 3d animation medium have extensive use of. The natural scenery of simulation has been computer graphics.a hot research topic. However, most of the natural scenery have random change shape, such as flame, spray, rivers, waterfalls, snow, smoke, etc. It is difficult to us

6、e conventional modeling method and simulation technology to describe the natural scenery, so the simulation of natural scenery is a challenging task.Based on the analysis and summary fountain at home and abroad on the basis of simulation, real-time and lifelike, particle system was proposed. Combine

7、d with OpenGL and physical principle, using MFC programming simulation of particle trajectories fountain, combined acceleration motion to simplify particle movement, and the realization of particle texture fusion technology. Experiment results show that the method is simple, the fountain of simulati

8、on results meet requirement of real-time and lifelike.Key words：particle systems, Fountain simulation, Virtual reality, 0penGL 1 绪 论计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学就是研究如何在计算机中表示图形、利用计算机进行图形计算、处理和显示的相关原理与算法。1982年，国际标准化组织IS0给出计算机图形学的定义：研究用计算机进行数据与图形之间相互转换的方法和

9、技术。计算机图形学是运用计算机产生、存储、构建物体模型的一门学科1。近年来，诸如云彩、瀑布、雨、雪等不规则模糊物体的模拟越来越成为计算机图形学中最具挑战性的研究方向之一，它们的模拟在计算机游戏、影视、广告、视景仿真等各种领域得到了越来越广泛的应用。具有不规则的几何外形和内在不确定性的不规则模糊物体，不能用通常的三维建模方法来制作，不同于静态景物，它具有产生、发展和消灭的过程。粒子系统(particle system)是迄今为止模拟不规则模糊物体最为成功的一种图形生成算法。喷泉模拟过程是一种非常复杂的不规则模糊物体的模拟过程，本文在运用物理学原理模拟实现喷泉粒子的运动轨迹时，结合等加速运动来简化

10、粒子运动状态，并利用OpenGL的纹理映射和融合该技术绘制粒子。结果表明等加速运动方法使粒子运动路径更加简单，可以获得好的实时性，利用融合渲染粒子的方法也使喷泉模拟效果满足了虚拟现实、计算机仿真中真实感的要求。1.1 研究背景、意义虚拟现实技术在当今计算机信息科学领域中研究的热门方向之一，虚拟场景是虚拟现实系统中重要的组成部分，在虚拟场景中模拟生活中的自然景物一直是计算机图形学领域中研究的内容。随着计算机科技的不断发展进步，计算机图形学己成为一个具有巨大潜力的新兴产业，对于人们的学习、生活以及学习领域都产生了重大的影响和推动作用。尤其是图形学领域中的计算机动画目前广泛应用于航空航天、影视广告、

11、行为模拟、装演设计、虚拟场景等各种领域。可以预见，在未来的信息工业和产业中，计算机动画将更进一步发挥巨大的作用，占据重要的地位。近年来，对于自然景物的生成与模拟一直是计算机图形学和动画研究中的热门课题。其中的烟火爆炸、云雾闪电、瀑布浪花、飞沙尘埃、花草树木等景物的模拟更具有挑战性。这些自然景物因其形状、形态随时间的推移而动态地、随机地发生变化，很难用常规的建模方法及模拟技术来生成。随机模型是处理这类问题的一种先进的方法，在随机模型中首推Fournier的分形算法和Reeves的粒子系统方法2。其中粒子系统方法具有良好的随机性和动态性，能逼真地模拟动态景物。因此，研究利用粒子系统方法模拟自然景物

12、，有着重要的科学意义和广泛的应用前景。喷泉是这些景物中具有代表性的动态景物，在风景园林、学校、广场、生活小区、公园等工作及休闲娱乐场所皆可看到各种不同的喷泉3。因此，在虚拟风景园林、虚拟校园、虚拟城市、虚拟公园等大的虚拟场景中，喷泉是一个风景点。粒子系统是最合适在虚拟场景中建立喷泉模型的选择。论文研究的意义在于粒子系统方法在模拟不规则动态自然景物的研究领域开辟了很大的发展空间，自然景物的模拟是计算机图形学理论研究与实际应用的重点与难点；在构造这类复杂物体的几何模型时需要大量的有效数据，而且这些数据都是随机性，计算量相当大，如何以粒子系统基本算法来构造复杂物体并逼真的对其进行实时渲染是虚拟现实技

13、术研究的新课题。虚拟喷泉技术在房地产开发、建筑设计、影视制作、游戏设计，风景园林等方面具有非常广阔的应用前景。在虚拟场景中水的效果对增强场景真实感有十分重要的作用，其中喷泉效果是虚拟场景中常见的画面，例如风景园林的动态喷泉水景，将计算机产生的许多奇妙喷泉水景图像添加到虚拟漫游系统或影视作品中可以大大提高作品的观赏效果。虚拟喷泉的沉浸性、真实性以及实时性效果是传统平面效果图和动画播放所无法达到的，而应用粒子系统实现喷泉的模拟具有较强的真实感，能达到人们对虚拟现实系统沉浸感的要求，使人能在虚拟场景中有身临其境的感觉，更具有实时性。因此虚拟喷泉技术在一定程度上会得到广泛的应用，利用粒子系统实现喷泉的

14、三维效果在虚拟现实领域具有一定的研究意义。1.2 国内外研究现状在对于仿真喷泉、瀑布、火焰、树木、雨、雪、雾等这些生活中常见的自然景物过程中，由于这些景物具有不规则性，动态性和随机性，模拟起来十分的困难，同时也是虚拟场景中不可缺少的部分。而自然景物的模拟一直是虚拟现实领域的重要研究内容，如何在虚拟场景中真实的再现生活中的自然景物是极具挑战性的课题之一。自然景物的模拟一般有两种方法4：一种是基于物理建模技术的方法。基于物理建模技术的方法主要是通过对Navier-Stokes(纳维埃一斯托克斯，简称NS方程)方程求解，求出流体过断面时的平均流速5。在基于物理的真实水流模拟方面，Anderson6等

15、人从工程需要出发，基于Navier-Stokes方程准确描述了水流的形态；而Kass 7等人则以动画中快速模拟为目标，通过简化Navier-Stokes方程较好地模拟了水波：Foster 8等人运用Navier-Stokes方程分别实现了液体、气体、流体的模拟。我国的徐迎庆9等人从水力学方程出发，提出了一个基于物理模型的模拟流水和波浪的方法；陈前华10等人基于物理建模方法与隐式曲面造型技术，实现了滴水涟漪的模拟。这些方法的共同特点是要求解Navier-Stokes方程，或者是简化后的Navier-Stokes方程，但由于Navicr-Stokes方程组是非线性方程组，很多情况下都难以精确地求出解析解，即使能求出其特解也往往因为求解计算量太大而难以达到实时的要求。另一种是基于粒子系统的方法。自然景物与规则的几何物体不同，它们的表面往往包含有丰