張沛露

（吉林建筑大學電氣與計算機學院，長春 130011）

一、概述

伴隨著計算機硬件設備的發(fā)展和人們消費水平的提高，人們開始注重更多的視覺享受，提高視覺享受的前提就是給用戶最真實最完美的享受，此次設計研究的就是基于OpenGL 的雨雪場景仿真，這一研究可以利用到生活的很多部分。

目前雨雪場景仿真普遍的辦法是利用粒子系統(tǒng)在模擬雨雪粒子的前提下，引入天空盒技術，將視角移入類似盒子的空間。Skybox 是整個場景的一個包容，變現(xiàn)了幾何之外的世界。使用Skybox 模擬真實的場景，如廣闊的天空，高大雄偉的山脈。在空間的中央當做攝像頭的位置，通過鼠標的移動來完成視角的轉換。而針對雨雪的降落，采用渲染和材質等技術將雨雪做的更為逼真，應用了shader 技術，將雨粒子和雪粒子和天空盒著色。通過粒子系統(tǒng)對粒子隨機降落，大小更變達到雨雪遠近的效果，為了提高真實性，還將加入風的元素，通過改變風向來調節(jié)雨雪的方向，改變風的大小來達到雨雪被被風吹的效果，讓視覺體驗更完整。

二、需求分析

通過全面分析基于OpenGL 的雨雪仿真場景系統(tǒng)的各項需求，本系統(tǒng)利用OpenGL 這個圖形API 為基礎，實現(xiàn)雨雪場景的建模和基本圖形變換。

天空盒是一種常用的增加模擬性能的手段，它通常是利用相機包圍內附著一個紋理來完成的，紋理一般是一些云朵、山脈或湖泊等。天空盒的根本原則其實并不復雜，它相當于在視野范圍邊緣安裝了個盒子。盒子里有六個面，分別使用6 可以拼接在一起的圖片。從實現(xiàn)的角度理解，天空是第一個盒子拿著相機在同一位置，然后畫出盒子。

三、系統(tǒng)設計與分析

為了實現(xiàn)模擬要求，存儲器操作模塊和數(shù)組基本模塊組成完整的3D 效果模擬仿真的基本模塊。內存管理模塊負責監(jiān)視，它模擬系統(tǒng)啟動時內存的處理情況和利用比率；數(shù)學基礎模塊內涵2D 和3D 的運算操作。

核心模塊雨系統(tǒng)的各個模塊皆有聯(lián)系，他是系統(tǒng)的總負責模塊，控制并操作系統(tǒng)。具有絕對的掌控權。它還有用戶與系統(tǒng)交互的責任，并提供用戶對其他功能的模塊的響應和傳輸。場景控制模塊主要控制場景的管理和操作。粒子系統(tǒng)模塊主要控制粒子的操作，包括粒子的初始化，粒子更新和粒子消亡。

系統(tǒng)處理流程包括以下幾個步驟：

①系統(tǒng)控制模塊將系統(tǒng)初始化；

②場景管理模塊搭建視點與視口，場景初級搭建；

③粒子系統(tǒng)管理模塊進行粒子生成以及粒子應有屬性；

④場景管理模塊將雨雪粒子運行在場景中，制造場景結點；

⑤圖形渲染模板通過OpenGL 對場景數(shù)據進行渲染操作。

粒子系統(tǒng)的理論和通識，每一個粒子的生命周期都包括生產，運動過程和消亡等幾個過程。粒子系統(tǒng)會有如下過程：

①產生新粒子并賦予屬性；

②除去已過生命周期的粒子；

③將仍存活的粒子進行更新和更新屬性操作；

④渲染系統(tǒng)中還在生命周期內的粒子。

四、系統(tǒng)實現(xiàn)

Skybox 是將一個正方體內部進行貼圖操作，一般由六個貼圖組成，達到場景在方塊盒中搭建，這樣會大大增加場景的真實性。由于天空盒實際上是立方體貼圖，因此加載天空盒和加載立方體貼圖的方式沒有什么不同。

粒子系統(tǒng)會隨機的生成雨雪粒子，并且初始化粒子的屬性，包括大小方向形狀和透明度等等，這些因素也都會因為粒子系統(tǒng)的隨機性而不斷改變，因此粒子系統(tǒng)在模擬無規(guī)則形狀的實體有很大優(yōu)勢?？偨Y而知，粒子系統(tǒng)最重要的是粒子的運行軌道，選擇合適的運動函數(shù)將會使渲染效果更真實完美。其次，坐標系的選擇（即視角）也有一定的關系。

結 語

本文以OpenGL 為基礎，采用了粒子系統(tǒng)的開發(fā)模式，完成了雨雪仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。根據標準的開發(fā)工具需求，開發(fā)過程中必須使用OpenGL 圖形庫操作來完成，主要應用粒子系統(tǒng)來完成雨雪的模擬，應用天空盒技術來實現(xiàn)場景模型的搭建，還用到了渲染著色器貼圖等技術綜合完成，使得功能基本完善，畫面仿真度高。