(2条消息) OpenGL进阶(六) 粒子系统

http://blog.csdn.net/qp120291570/article/details/8373896

一、提要

有一款例子特效软件叫做particle illution，在影视后期和游戏制作领域都可以用到，相信很多人都接触过，今天我们用SDL+OpenGL来实现例子效果。

确保你搞定了物理模拟的代码！

代码下载

二、原理简介

所谓的例子系统，就是同时控制一大堆类似的对象，这些对象可能是形体，可能是图片，有着不同的特征（寿命，速度，位置）。有了之前的基础，我们可以很轻易地搞定今天的东西。

三、代码清单

首先是粒子的头文件，我直接写成结构体了，里面有一些基本的属性。

[cpp] view plain copy print ?

1. /*****************************************************************************
2. Copyright: 2012, ustc All rights reserved.
3. contact:[e-mail]
4. File name: particle.h
5. Description:Partical in opengl.
6. Author:Silang Quan
7. Version: 1.0
8. Date: 2012.12.20
9. *****************************************************************************/
10. #ifndef PARTICLE_H
11. #define PARTICLE_H
12. #include "vector3d.h"
13. typedef struct
14. {
15. float r;
16. float g;
17. float b;
18. float alpha;
19. }Color;
20. typedef struct
21. {
22. Vector3D position;
23. Vector3D velocity;
24. Vector3D acceleration;
25. Color color;
26. float age;
27. float life;
28. float size;
29. }Particle;
30. #endif // PARTICLE_H

1. /*****************************************************************************
2. Copyright: 2012, ustc All rights reserved.
3. contact:[e-mail]
4. File name: particle.h
5. Description:Partical in opengl.
6. Author:Silang Quan
7. Version: 1.0
8. Date: 2012.12.20
9. *****************************************************************************/
10. #ifndef PARTICLE_H
11. #define PARTICLE_H
12. #include "vector3d.h"
13. typedef struct
14. {
15. float r;
16. float g;
17. float b;
18. float alpha;
19. }Color;
20. typedef struct
21. {
22. Vector3D position;
23. Vector3D velocity;
24. Vector3D acceleration;
25. Color color;
26. float age;
27. float life;
28. float size;
29. }Particle;
30. #endif // PARTICLE_H


我们用球体来模拟例子，所以size表示的就是球体的半径。

接下来是粒子系统类（类名拼写错了*-*）

[cpp] view plain copy print ?

1. /***************************************************************************** 
2. Copyright: 2012, ustc All rights reserved. 
3. contact:[e-mail] 
4. File name: particalsystem.h 
5. Description:Partical in opengl. 
6. Author:Silang Quan 
7. Version: 1.0 
8. Date: 2012.12.20 
9.  *****************************************************************************/  
10.   
11. #ifndef PARTICALSYSTEM_H  
12. #define PARTICALSYSTEM_H  
13. #include <vector>  
14. #include <math.h>  
15. #include <time.h>  
16. #include <stdlib.h>  
17. #include <iostream>  
18. #include <GL/gl.h>  
19. #include <GL/glu.h>  
20. #include "particle.h"  
21. #define PI 3.1415926  
22. using namespace std;  
23. class ParticalSystem  
24. {  
25.     public:  
26.         ParticalSystem();  
27.         ParticalSystem(int _count,float _gravity){ptlCount=_count;gravity=_gravity;};  
28.         void init();  
29.         void simulate(float dt);  
30.         void aging(float dt);  
31.         void applyGravity();  
32.         void kinematics(float dt);  
33.         void render();  
34.         virtual ~ParticalSystem();  
35.     protected:  
36.     private:  
37.     int ptlCount;  
38.     float gravity;  
39.     GLUquadricObj *mySphere;  
40.     vector<Particle> particles;  
41. };  
42.   
43. #endif // PARTICALSYSTEM_H  

1. /*****************************************************************************
2. Copyright: 2012, ustc All rights reserved.
3. contact:[e-mail]
4. File name: particalsystem.h
5. Description:Partical in opengl.
6. Author:Silang Quan
7. Version: 1.0
8. Date: 2012.12.20
9. *****************************************************************************/
10. #ifndef PARTICALSYSTEM_H
11. #define PARTICALSYSTEM_H
12. #include <vector>
13. #include <math.h>
14. #include <time.h>
15. #include <stdlib.h>
16. #include <iostream>
17. #include <GL/gl.h>
18. #include <GL/glu.h>
19. #include "particle.h"
20. #define PI 3.1415926
21. using namespace std;
22. class ParticalSystem
23. {
24. public:
25. ParticalSystem();
26. ParticalSystem(int _count,float _gravity){ptlCount=_count;gravity=_gravity;};
27. void init();
28. void simulate(float dt);
29. void aging(float dt);
30. void applyGravity();
31. void kinematics(float dt);
32. void render();
33. virtual ~ParticalSystem();
34. protected:
35. private:
36. int ptlCount;
37. float gravity;
38. GLUquadricObj *mySphere;
39. vector<Particle> particles;
40. };
41. #endif // PARTICALSYSTEM_H


解释一下几个重要函数：

init：做一些例子系统的初始化工作；

aging：计算粒子的年龄；

applyGravity：向粒子施加重力；

kinematics：这个单词的意思是运动学，所以就是负责管理粒子的加速，位移；

simulate：例子模拟的总负责函数；

render：渲染粒子；

然后来看函数是怎么实现的：

[cpp] view plain copy print ?

1. /***************************************************************************** 
2. Copyright: 2012, ustc All rights reserved. 
3. contact:[e-mail] 
4. File name: particalsystem.Cpp 
5. Description:Partical in opengl. 
6. Author:Silang Quan 
7. Version: 1.0 
8. Date: 2012.12.22 
9.  *****************************************************************************/  
10.   
11. #include "particalsystem.h"  
12.   
13. ParticalSystem::ParticalSystem()  
14. {  
15.     //ctor  
16. }  
17.   
18. ParticalSystem::~ParticalSystem()  
19. {  
20.     //dtor  
21. }  
22.   
23. void ParticalSystem::init()  
24. {  
25.     int i;  
26.     srand(unsigned(time(0)));  
27.     Color colors[3]={{0,0,1,1},{1,0,1,1}};  
28.     for(i=0;i<ptlCount;i++)  
29.     {  
30.         //theta =(rand()%361)/360.0* 2*PI;  
31.         Particle tmp={Vector3D(0,0,0),Vector3D(((rand()%50)-26.0f),((rand()%50)-26.0f),((rand()%50)-26.0f)),Vector3D(0,0,0),colors[rand()%2],0.0f,0.5+0.05*(rand()%10),0.3f};  
32.         particles.push_back(tmp);  
33.     }  
34.     mySphere=gluNewQuadric();  
35. }  
36. void ParticalSystem::simulate(float dt)  
37. {  
38.     aging(dt);  
39.     applyGravity();  
40.     kinematics(dt);  
41. }  
42. void ParticalSystem::aging(float dt)  
43. {  
44.     for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)  
45.     {  
46.         iter->age+=dt;  
47.         if(iter->age>iter->life)  
48.         {  
49.             iter->position=Vector3D(0,0,0);  
50.             iter->age=0.0;  
51.             iter->velocity=Vector3D(((rand()%30)-15.0f),((rand()%30)-11.0f),((rand()%30)-15.0f));  
52.         }  
53.     }  
54. }  
55. void ParticalSystem::applyGravity()  
56. {  
57.     for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)  
58.             iter->acceleration=Vector3D(0,gravity,0);  
59. }  
60.   
61. void ParticalSystem::kinematics(float dt)  
62. {  
63.     for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)  
64.     {  
65.         iter->position = iter->position+iter->velocity*dt;  
66.         iter->velocity = iter->velocity+iter->acceleration*dt;  
67.     }  
68. }  
69. void ParticalSystem::render()  
70. {  
71.   
72.     for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)  
73.     {  
74.         float alpha = 1 - iter->age / iter->life;//calculate the alpha value according to the age of particle.  
75.         Vector3D tmp=iter->position;  
76.         glColor4f(iter->color.r,iter->color.g,iter->color.b,alpha);  
77.         glPushMatrix();  
78.         glTranslatef(tmp.x,tmp.y,tmp.z);  
79.         gluSphere(mySphere,iter->size, 32, 16);  
80.         glPopMatrix();  
81.     }  
82.   
83. }  

1. /*****************************************************************************
2. Copyright: 2012, ustc All rights reserved.
3. contact:[e-mail]
4. File name: particalsystem.Cpp
5. Description:Partical in opengl.
6. Author:Silang Quan
7. Version: 1.0
8. Date: 2012.12.22
9. *****************************************************************************/
10. #include "particalsystem.h"
11. ParticalSystem::ParticalSystem()
12. {
13. //ctor
14. }
15. ParticalSystem::~ParticalSystem()
16. {
17. //dtor
18. }
19. void ParticalSystem::init()
20. {
21. int i;
22. srand(unsigned(time(0)));
23. Color colors[3]={{0,0,1,1},{1,0,1,1}};
24. for(i=0;i<ptlCount;i++)
25. {
26. //theta =(rand()%361)/360.0* 2*PI;
27. Particle tmp={Vector3D(0,0,0),Vector3D(((rand()%50)-26.0f),((rand()%50)-26.0f),((rand()%50)-26.0f)),Vector3D(0,0,0),colors[rand()%2],0.0f,0.5+0.05*(rand()%10),0.3f};
28. particles.push_back(tmp);
29. }
30. mySphere=gluNewQuadric();
31. }
32. void ParticalSystem::simulate(float dt)
33. {
34. aging(dt);
35. applyGravity();
36. kinematics(dt);
37. }
38. void ParticalSystem::aging(float dt)
39. {
40. for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)
41. {
42. iter->age+=dt;
43. if(iter->age>iter->life)
44. {
45. iter->position=Vector3D(0,0,0);
46. iter->age=0.0;
47. iter->velocity=Vector3D(((rand()%30)-15.0f),((rand()%30)-11.0f),((rand()%30)-15.0f));
48. }
49. }
50. }
51. void ParticalSystem::applyGravity()
52. {
53. for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)
54. iter->acceleration=Vector3D(0,gravity,0);
55. }
56. void ParticalSystem::kinematics(float dt)
57. {
58. for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)
59. {
60. iter->position = iter->position+iter->velocity*dt;
61. iter->velocity = iter->velocity+iter->acceleration*dt;
62. }
63. }
64. void ParticalSystem::render()
65. {
66. for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)
67. {
68. float alpha = 1 - iter->age / iter->life;//calculate the alpha value according to the age of particle.
69. Vector3D tmp=iter->position;
70. glColor4f(iter->color.r,iter->color.g,iter->color.b,alpha);
71. glPushMatrix();
72. glTranslatef(tmp.x,tmp.y,tmp.z);
73. gluSphere(mySphere,iter->size, 32, 16);
74. glPopMatrix();
75. }
76. }


实现还是比较简单的，下面渲染看一下^^.

首先要在initGL函数中添加两句话：

[cpp] view plain copy print ?

1. glEnable(GL_BLEND);  
2. glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);  

1. glEnable(GL_BLEND);
2. glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);


这样透明度才会有效。

接着初始化一个例子系统，并对例子进行初始化：

[cpp] view plain copy print ?

1. ParticalSystem ps;  

ParticalSystem ps;

[plain] view plain copy print ?

1. int main( int argc, char* argv[] )
2. {
3. // Color depth in bits of our window.
4. int flags= SDL_OPENGL|SDL_RESIZABLE;
5. //Set the SDL
6. initSDL(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, SCREEN_BPP,flags);
7. //Set the OpenGL
8. initGL(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT );
9. ps=ParticalSystem(100,-15.0);
10. ps.init();
11. //main loop
12. while(true)
13. {
14. /* Process incoming events. */
15. handleEvents( );
16. ps.simulate(0.01);
17. /* Draw the screen. */
18. renderGL( );
19. }
20. return 0;
21. }

int main( int argc, char* argv[] ){// Color depth in bits of our window.int flags= SDL_OPENGL|SDL_RESIZABLE;//Set the SDLinitSDL(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, SCREEN_BPP,flags);//Set the OpenGLinitGL(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT );    ps=ParticalSystem(100,-15.0);    ps.init();//main loopwhile(true){/* Process incoming events. */handleEvents( );ps.simulate(0.01);/* Draw the screen. */renderGL( );}return 0;}

然后是渲染函数：

[cpp] view plain copy print ?

1. void renderGL()
2. {
3. // Clear the color and depth buffers.
4. glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT );
5. // We don't want to modify the projection matrix. */
6. glMatrixMode( GL_MODELVIEW );
7. glLoadIdentity( );
8. // Move down the z-axis.
9. glTranslatef(0.0f,0.0f,-35.0f);
10. ps.render();
11. SDL_GL_SwapBuffers( );
12. }

1. void renderGL()
2. {
3. // Clear the color and depth buffers.
4. glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT );
5. // We don't want to modify the projection matrix. */
6. glMatrixMode( GL_MODELVIEW );
7. glLoadIdentity( );
8. // Move down the z-axis.
9. glTranslatef(0.0f,0.0f,-35.0f);
10. ps.render();
11. SDL_GL_SwapBuffers( );
12. }


跑一下：

效果还是不错的~下面我们来实现一些更棒的效果！

四、动态模糊和碰撞检测

动态模糊的实现比较简单，主循环不再每次把整个画面清空，而是每帧画一个半透明的黑色长方形，就可以模拟动态模糊(motion blur)的效果。

将之前的

[cpp] view plain copy print ?

1. // Clear the color and depth buffers.  
2. glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT );  

1. // Clear the color and depth buffers.
2. glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT );


改成

[cpp] view plain copy print ?

1. // Clear the depth buffers.  
2. glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT );  

1. // Clear the depth buffers.
2. glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT );


然后在例子系统的render函数中添加画矩形的代码：

[cpp] view plain copy print ?

1. void ParticalSystem::render()  
2. {  
3.   
4.     for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)  
5.     {  
6.         float alpha = 1 - iter->age / iter->life;  
7.         Vector3D tmp=iter->position;  
8.         glColor4f(iter->color.r,iter->color.g,iter->color.b,alpha);  
9.         //glColor4f(1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.1);  
10.         glPushMatrix();  
11.         glTranslatef(tmp.x,tmp.y,tmp.z);  
12.         gluSphere(mySphere,iter->size, 32, 16);  
13.         glPopMatrix();  
14.     }  
15.       
16.     //Motion blue  
17.     glColor4f(0.0f,0.0f,0.0f,0.1);  
18.     glBegin(GL_QUADS);  
19.     glVertex3f(-20.0f  , -20.0f  ,  20.0f  );  
20.     glVertex3f( 20.0f  , -20.0f  ,  20.0f  );  
21.     glVertex3f( 20.0f  ,  20.0f  ,  20.0f  );  
22.     glVertex3f(-20.0f  ,  20.0f  ,  20.0f  );  
23.     glEnd();  
24.       
25. }  

1. void ParticalSystem::render()
2. {
3. for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)
4. {
5. float alpha = 1 - iter->age / iter->life;
6. Vector3D tmp=iter->position;
7. glColor4f(iter->color.r,iter->color.g,iter->color.b,alpha);
8. //glColor4f(1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.1);
9. glPushMatrix();
10. glTranslatef(tmp.x,tmp.y,tmp.z);
11. gluSphere(mySphere,iter->size, 32, 16);
12. glPopMatrix();
13. }
14. //Motion blue
15. glColor4f(0.0f,0.0f,0.0f,0.1);
16. glBegin(GL_QUADS);
17. glVertex3f(-20.0f , -20.0f , 20.0f );
18. glVertex3f( 20.0f , -20.0f , 20.0f );
19. glVertex3f( 20.0f , 20.0f , 20.0f );
20. glVertex3f(-20.0f , 20.0f , 20.0f );
21. glEnd();
22. }


渲染一下：

效果还不错！

碰撞检测之前也实现过，在粒子系统里面加检测函数就Ok了.

[cpp] view plain copy print ?

1. void ParticalSystem::checkBump(float x1,float x2,float y1,float y2)  
2. {  
3.     for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)  
4.         {  
5.             if (iter->position.x - iter->size < x1 || iter->position.x +iter->size > x2) iter->velocity.x = -iter->velocity.x;  
6.             if (iter->position.y - iter->size < y1 || iter->position.y + iter->size > y2) iter->velocity.y = -iter->velocity.y;  
7.         }  
8. }  

1. void ParticalSystem::checkBump(float x1,float x2,float y1,float y2)
2. {
3. for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)
4. {
5. if (iter->position.x - iter->size < x1 || iter->position.x +iter->size > x2) iter->velocity.x = -iter->velocity.x;
6. if (iter->position.y - iter->size < y1 || iter->position.y + iter->size > y2) iter->velocity.y = -iter->velocity.y;
7. }
8. }


由于我们的粒子是在空间运动，运行之后我们就可以看到粒子沿着空间的各个方向运动，我们在沿Z轴方向添加了一个“盒子”，撞到盒子则速度做相应的变化。

五、交互发射

这个其实是opengl之外的东西了。我们要用的是SDL的获取鼠标信息函数：SDL_GetMouseState(&posX, &posY);

作用就是获取当前鼠标的位置。

接下来还要做的一件事是写坐标变换函数。因为opengl的坐标个SDL窗口的坐标并不是重合的，我们要将鼠标的当前坐标映射到OpenGL的坐标上去。

[cpp] view plain copy print ?

1. float posTransX(int posX)  
2. {  
3.     return (posX-400)/20.0;  
4.   
5. }  
6. float posTransY(int posY)  
7. {  
8.     return (400-posY)/20.0;  
9. }  

1. float posTransX(int posX)
2. {
3. return (posX-400)/20.0;
4. }
5. float posTransY(int posY)
6. {
7. return (400-posY)/20.0;
8. }


因为我的窗口是800*800的，然后根据当前视口的位置，转换函数就想上面那样。

坐后要修改一下粒子的simulate函数。当粒子死亡的时候，他的初始位置设置为鼠标当前的位置。

[cpp] view plain copy print ?

1. void ParticalSystem::aging(float dt,float posX,float posY)  
2. {  
3.     for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)  
4.     {  
5.         iter->age+=dt;  
6.         if(iter->age>iter->life)  
7.         {  
8.             iter->position=Vector3D(posX,posY,0);  
9.             iter->age=0.0;  
10.             iter->velocity=Vector3D(((rand()%30)-15.0f),((rand()%30)-11.0f),((rand()%30)-15.0f));  
11.         }  
12.     }  
13. }  

1. void ParticalSystem::aging(float dt,float posX,float posY)
2. {
3. for(vector<Particle>::iterator iter=particles.begin();iter!=particles.end();iter++)
4. {
5. iter->age+=dt;
6. if(iter->age>iter->life)
7. {
8. iter->position=Vector3D(posX,posY,0);
9. iter->age=0.0;
10. iter->velocity=Vector3D(((rand()%30)-15.0f),((rand()%30)-11.0f),((rand()%30)-15.0f));
11. }
12. }
13. }


效果就像这样：

六、参考

用JavaScript玩转游戏物理(一)运动学模拟与粒子系统


nehe的opengl教程