利用OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格波動(dòng)效果界面

張笑一

摘要：為模擬波濤洶涌的波浪的動(dòng)畫(huà)，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)網(wǎng)格波動(dòng)效果界面；借鑒余弦函數(shù)以及相應(yīng)的變換建立問(wèn)題解決模型；利用C++的OpenGL開(kāi)發(fā)動(dòng)畫(huà)程序；程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)格隨機(jī)擺動(dòng)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格波動(dòng)；余弦函數(shù)；OpenGL技術(shù)；C++；程序開(kāi)發(fā)

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）12-0220-02

Abstract： To simulate the roaring waves animation， design and achieve the grid fluctuation effect interface； Refer to cosine function and some transformations about cosine function to construct the problem solving model； Using of OpenGL of the C++ to develop animation program； The program achieve random fluctuation grid .

Key words： Grid fluctuation； Cosine function； OpenGL technology； C++； program development

1 概述

網(wǎng)格波動(dòng)界面的探索可以應(yīng)用于影視、廣告以及科研領(lǐng)域的仿真研究上，是一個(gè)值得探索的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[1]描述利用海浪頻譜和方向函數(shù)生成每一張海面圖片的高度場(chǎng)。文獻(xiàn)[2]研究工作中涉及了波浪和浮體聯(lián)合作用的研究。文獻(xiàn)[3]研究?jī)?nèi)容涉及對(duì)波浪扭曲時(shí)的建模方式的探討。文獻(xiàn)[4]研究的內(nèi)容涉及對(duì)海波使用紋理映射的討論。

2問(wèn)題提出

利用C++的OpenGL渲染技術(shù)，通過(guò)在事先定義的三維空間的若干頂點(diǎn)上增加隨機(jī)運(yùn)動(dòng)方式算法可在之后程序畫(huà)圖時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格波動(dòng)，利用C++的窗口界面程序的開(kāi)發(fā)方法和引入相關(guān)后綴名為“.h”的文件的語(yǔ)法以及OpenGL技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)所開(kāi)發(fā)的界面播放OpenGL動(dòng)畫(huà)程序。將這兩點(diǎn)有機(jī)結(jié)合后，提出開(kāi)發(fā)帶有網(wǎng)格波動(dòng)虛擬影像的播放界面。

3 建立運(yùn)動(dòng)方式模型

倘若定義若干行三維空間中的頂點(diǎn)，可把行數(shù)定義為變量n，各行頂點(diǎn)數(shù)目與行數(shù)相等，則可以在OpenGL程序每回畫(huà)出一張圖畫(huà)前通過(guò)使用循環(huán)語(yǔ)句執(zhí)行算法的途徑讓各個(gè)頂點(diǎn)的空間位置發(fā)生變化或者不變。當(dāng)每次畫(huà)出圖片前頂點(diǎn)可組成多條波動(dòng)曲線的形狀時(shí)，則可讓這些圖片在因?yàn)槌绦驁?zhí)行引起的連續(xù)放映形成網(wǎng)格搖擺的動(dòng)畫(huà)。本次n取80。

循環(huán)語(yǔ)句所表達(dá)的初始頂點(diǎn)在任意單位循環(huán)時(shí)刻應(yīng)具備的運(yùn)動(dòng)方式模型抽象為如下內(nèi)容：（1）所有頂點(diǎn)的初始位置都保證它們?cè)谌S坐標(biāo)系中的y為零，第一行第一個(gè)頂點(diǎn)處在（0，0，0）點(diǎn)位置，之后的此行中，各頂點(diǎn)與上一頂點(diǎn)相隔長(zhǎng)度為m，第二行相隔上一行距離的長(zhǎng)度是m，第二行各個(gè)鄰居頂點(diǎn)間隔都是m，此后各行與上一行間隔是m并且本行鄰居位置的頂點(diǎn)間隔也為m，所有頂點(diǎn)構(gòu)成長(zhǎng)寬等距的矩形網(wǎng)格并與負(fù)z軸、坐標(biāo)為（0，0，0）的點(diǎn)和正x軸接壤；（2）假定在單位循環(huán)時(shí)刻圖片畫(huà)出前都從各行的前m個(gè)頂點(diǎn)中隨機(jī)選取一個(gè)頂點(diǎn)放一個(gè)帶指針的圓形紙片，各指針尾部按在各紙片中心，各針尖最前端與各紙片邊緣某處重合，各紙片和坐標(biāo)軸x平行；（3）各紙片的指針與頂點(diǎn)構(gòu)成的長(zhǎng)寬等距的矩形垂直，各紙片的指針和整個(gè)正y軸和負(fù)y軸組成的連線平行，指針?biāo)阜较蛩硎镜南蛄亢脱刂鴜軸的正無(wú)窮遠(yuǎn)延伸的方向所表示的向量構(gòu)成的角度為零，并且各紙片的中心位置與選取的隨機(jī)頂點(diǎn)重合；（4）各紙片以數(shù)值一樣的轉(zhuǎn)速圍著紙片中心勻速原地旋轉(zhuǎn)并且都沿著正x軸朝正無(wú)窮遠(yuǎn)延伸的方向做著相同速度的加速度為0的直線運(yùn)動(dòng)；（5）各紙片在每次畫(huà)出圖片前都按相同的規(guī)定時(shí)間運(yùn)動(dòng)；（6）當(dāng)長(zhǎng)寬等距的矩形上某個(gè)頂點(diǎn)被某個(gè)紙片中心經(jīng)過(guò)時(shí)，把指針的針尖與紙片的重合位置的y值作為此刻頂點(diǎn)的y值，這個(gè)值可用余弦函數(shù)以及相應(yīng)的三角函數(shù)變換根據(jù)本次循環(huán)中運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后當(dāng)前紙片在此時(shí)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角度計(jì)算；（7）當(dāng)各行的紙片在規(guī)定時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)結(jié)束，使用OpenGL的語(yǔ)法連線、渲染和畫(huà)圖；（8）下一張圖片（也就是下一個(gè)單位循環(huán)時(shí)刻）依然按照前七步繪制。這里m為30。

4網(wǎng)格波動(dòng)界面關(guān)鍵內(nèi)容介紹

網(wǎng)格波動(dòng)界面使用C++與用戶界面程序開(kāi)發(fā)有關(guān)的開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行搭建。在利用C++語(yǔ)法加入OpenGL有關(guān)的文件后，將運(yùn)動(dòng)方式算法和每一時(shí)刻的與畫(huà)圖有關(guān)的語(yǔ)句放到合適的位置進(jìn)行使用。由此，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格波動(dòng)界面的動(dòng)畫(huà)。

網(wǎng)格波動(dòng)界面程序邏輯上分為三大部分，第一部分為網(wǎng)格波動(dòng)界面的處理用戶與界面交互主函數(shù)，第二部分為網(wǎng)格波動(dòng)界面的交互信息處理函數(shù)，第三部分是與畫(huà)每一張圖片有關(guān)的函數(shù)。建立三部分之間聯(lián)系的方法是在處理用戶與界面交互主函數(shù)中利用while循環(huán)去檢測(cè)預(yù)先定義的交互信息結(jié)構(gòu)體有無(wú)內(nèi)容，有就用C++自帶的處理交互信息的函數(shù)發(fā)送到交互信息處理函數(shù)處理，處理后，程序?qū)⒗^續(xù)執(zhí)行處理用戶和界面交互主函數(shù)的那個(gè)循環(huán)，這由運(yùn)行該波動(dòng)界面的電腦自身控制，沒(méi)有交互發(fā)生就執(zhí)行畫(huà)圖函數(shù)的調(diào)用語(yǔ)句。在處理用戶與界面交互主函數(shù)中，涉及的內(nèi)容從上到下接連為：初始化網(wǎng)格波動(dòng)界面語(yǔ)句塊，加載波動(dòng)界面畫(huà)圖設(shè)備函數(shù)體的調(diào)用語(yǔ)句，循環(huán)檢測(cè)（這是之前提到的while循環(huán)），界面銷毀句塊。交互信息處理函數(shù)使用C++的分叉條件判別語(yǔ)法編寫(xiě)，它處理用戶按下鍵盤(pán)、按緊和松開(kāi)鼠標(biāo)、手握鼠標(biāo)滑動(dòng)、網(wǎng)格界面大小變化、銷毀網(wǎng)格波動(dòng)界面的交互信息。

網(wǎng)格波動(dòng)界面的關(guān)鍵部分起到的作用的闡述如下：（1）處理用戶與界面交互主函數(shù)的初始化網(wǎng)格波動(dòng)界面語(yǔ)句塊包含對(duì)波動(dòng)界面的屬性的定義、交互信息結(jié)構(gòu)體的定義以及注冊(cè)波動(dòng)界面和與建立波動(dòng)界面相關(guān)的操作。其中，波動(dòng)界面的屬性和交互信息的定義都是通過(guò)聲明擁有與網(wǎng)格波動(dòng)界面程序中的界面執(zhí)行相關(guān)聯(lián)屬性的結(jié)構(gòu)體的變量來(lái)在程序中使用它們。（2）處理用戶與界面交互主函數(shù)的加載波動(dòng)界面畫(huà)圖設(shè)備函數(shù)體的調(diào)用語(yǔ)句調(diào)用的是開(kāi)發(fā)波動(dòng)界面時(shí)編寫(xiě)的與向系統(tǒng)申請(qǐng)畫(huà)圖環(huán)境有關(guān)操作的函數(shù)，它的內(nèi)容概括起來(lái)是利用windosws用戶界面開(kāi)發(fā)中需要的相關(guān)描述表去在一個(gè)操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)分配一個(gè)用于進(jìn)行OpenGL畫(huà)圖動(dòng)作的工作區(qū)。（3）當(dāng)處理用戶與界面交互主函數(shù)的循環(huán)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)交互信息結(jié)構(gòu)體有內(nèi)容，如之前所說(shuō)，交互信息處理函數(shù)使用的C++的分叉條件判別語(yǔ)法會(huì)根據(jù)判別條件到相應(yīng)的位置去操作預(yù)先定義的全局變量或執(zhí)行C++自帶的會(huì)最終通知系統(tǒng)結(jié)束波動(dòng)界面運(yùn)行的語(yǔ)句。比如，當(dāng)判定交互信息是銷毀波動(dòng)界面時(shí)，程序就會(huì)執(zhí)行這個(gè)最終將結(jié)束波動(dòng)界面運(yùn)行的語(yǔ)句。交互信息處理函數(shù)中的全局變量被執(zhí)行后，并且當(dāng)循環(huán)檢測(cè)執(zhí)行到相應(yīng)的畫(huà)圖函數(shù)時(shí)，畫(huà)圖函數(shù)根據(jù)它們的某些元素影響這個(gè)函數(shù)中相應(yīng)分叉判別語(yǔ)句內(nèi)部的OpenGL函數(shù)的生效，這實(shí)現(xiàn)了用戶和波動(dòng)界面的交互產(chǎn)生時(shí)應(yīng)當(dāng)引發(fā)的內(nèi)容。當(dāng)沒(méi)有交互信息時(shí)，循環(huán)檢測(cè)執(zhí)行相應(yīng)畫(huà)圖函數(shù)的調(diào)用語(yǔ)句，這個(gè)調(diào)用語(yǔ)句所關(guān)聯(lián)的函數(shù)體也是波動(dòng)界面的開(kāi)發(fā)中自行編寫(xiě)的。它解釋OpenGL在波動(dòng)界面每一張圖片繪畫(huà)時(shí)起到怎樣的作用，就是說(shuō)怎樣利用該技術(shù)提供的函數(shù)來(lái)刻畫(huà)圖片呈現(xiàn)給用戶的效果。不僅如此，這個(gè)自行編寫(xiě)的函數(shù)體還將上一節(jié)的模型通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)。（4）循環(huán)檢測(cè)的終止條件是當(dāng)交互信息結(jié)構(gòu)體的message屬性收到離開(kāi)循環(huán)的信息。當(dāng)離開(kāi)循環(huán)檢測(cè)，程序就執(zhí)行界面銷毀句塊。它包含釋放界面和繪畫(huà)的工作區(qū)工作時(shí)所占的存儲(chǔ)空間。

5 效果展示

6結(jié)束語(yǔ)

1） 如圖1所示，在波動(dòng)界面的運(yùn)行場(chǎng)所中點(diǎn)擊啟動(dòng)調(diào)試后，可看到網(wǎng)格的波浪隨機(jī)擺動(dòng)的動(dòng)畫(huà)；

2） 如圖2所示，由于用戶按下相應(yīng)鍵盤(pán)，切換效果；

3） 如圖3所示，用戶利用鼠標(biāo)改變網(wǎng)格波動(dòng)界面大??；

4） 如圖4所示，網(wǎng)格波動(dòng)界面的畫(huà)面可以隨著用戶鼠標(biāo)的滑動(dòng)而變換視角；

5） 雖然實(shí)現(xiàn)了波濤洶涌的效果，但是，圖2效果不夠美觀，這是不足之處，可通過(guò)改進(jìn)3節(jié)模型規(guī)則后經(jīng)過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)來(lái)改善放映效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅玉. 3D海浪動(dòng)畫(huà)模擬技術(shù)研究[D]. 武漢理工大學(xué)，2008：3.

[2] 鄒耀斌. 風(fēng)浪的行為特征建模[D]. 武漢理工大學(xué)， 2007：5.

[3] 曾建英. 海浪的行為特征建模與實(shí)時(shí)繪制研究[D]. 武漢理工大學(xué)，2009：6.

[4] 賈佳. 海面建模與繪制技術(shù)研究[D]. 天津大學(xué)，2011：12.