opengl粒子系统实现.doc

OpenGL进阶(六)-粒子系统

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 plaincopy
1. /***************************************************************************** 
2. Copyright: 2012, ustc All rights reserved. 
3. contact:k283228391@ 
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.   
21. typedef struct  
22. {  
23.     Vector3D position;  
24.     Vector3D velocity;  
25.     Vector3D acceleration;  
26.     Color color;  
27.     float age;  
28.     float life;  
29.     float size;  
30. }Particle;  
31.   
32. #endif // PARTICLE_H  
[cpp] view plaincopy
1. /***************************************************************************** 
2. Copyright: 2012, ustc All rights reserved. 
3. contact:k283228391@ 
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.   
21. typedef struct  
22. {  
23.     Vector3D position;  
24.     Vector3D velocity;  
25.     Vector3D acceleration;  
26.     Color color;  
27.     float age;  
28.     float life;  
29.     float size;  
30. }Particle;  
31.   
32. #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 plaincopy
1. /***************************************************************************** 
2. Copyright: 2012, ustc All rights reserved. 
3. contact:k283228391@ 
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  
[cpp] view plaincopy
1. /***************************************************************************** 
2. Copyright: 2012, ustc All rights reserved. 
3. contact:k283228391@ 
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  

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 plaincopy
1. /***************************************************************************** 
2. Copyright: 2012, ustc All rights reserved. 
3. contact:k283228391@ 
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. }  
[cpp] view plaincopy
1. /***************************************************************************** 
2. Copyright: 2012, ustc All rights reserved. 
3. contact:k283228391@ 
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. }  

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 plaincopy
1. glEnable(GL_BLEND);  
2. glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);  
[cpp] view plaincopy
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 plaincopy
1. ParticalSystem ps;  
[cpp] view plaincopy
1. ParticalSystem ps;  

[plain] view plaincopy
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. }  
[plain] view plaincopy
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. }  

然后是渲染函数：
[cpp] view plaincopy
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. }  
[cpp] view plaincopy
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 plaincopy
1. // Clear the color and depth buffers.  
2. glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT );  
[cpp] view plaincopy
1. // Clear the color and depth buffers.  
2. glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT );  

改成
[cpp] view plaincopy
1. // Clear the depth buffers.  
2. glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT );  
[cpp] view plaincopy
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 plaincopy
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.     g