[教學視頻]計算機圖形學基礎在線學習教程

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利用OpenGL點精靈實現雲模擬

Cloud Simulation Using OpenGL PointSprite

這篇教程介紹一種利用OpenGL點精靈，也就是PointSprite來實現雲的模擬。在網上找了一些資料和論文，都是模擬真實的雲和光照，且都比較複雜。後來看到一篇文章，介紹了一篇相對簡單但效果比較好的方法。首先建立好雲的輪廓模型，可以使用3DMax或其他的建模工具，然後創建該模型的包圍體，將包圍體中屬於雲的部分抽取出來，最後對抽取出來的部分進行三角化，然後貼圖，最後加上光照。受到該方法的啓發，這裏我介紹一種更爲簡單的方法來實現對雲的模擬。

和從文件讀取雲模型相比，用代碼生成雲的輪廓要快的多。雲的輪廓我們可以用球來模擬，使用多個不同大小的球可以組成不同形狀的雲。圖Fig1中顯示了利用三個半徑不同的球組成的雲的形狀。當然你也可以使用更多不同大小的球來組成更逼真，更復雜的雲。

Fig1. 不同大小的球組成的雲的形狀

描述這樣三個球只需用幾個結構體即可。

struct VECTOR3

{

float x,y,z;

VECTOR3(){}

VECTOR3(float _x, float _y, float _z)

{

x = _x; y = _y; z = _z;

}

};

結構體VECTOR3是一個三維向量結構體，用來表示球的圓心。再加上半徑R我們就可以描述球的幾何性質了。於是球的結構體可以定義爲

struct Sphere

{

VECTOR3 C;

float R;

Sphere(){}

Sphere(VECTOR3 c, float r)

{

C.x = c.x; C.y = c.y; C.z = c.z;

R = r;

}

};

接下來就要得到整個雲的包圍盒，包圍盒可以用包圍盒立方體對角線上的兩個頂點來描述，這裏使用頂點座標全爲負和全爲正的兩個點。包圍盒機構體可以定義爲

struct BoundingBox

{

VECTOR3 origin;

VECTOR3 MinPt;

VECTOR3 MaxPt;

Line Boundaries[12];

};

在上面的結構體中，origin表示包圍盒的中心座標，MinPt表示全爲負的頂點，MaxPt表示全爲正的頂點。利用球心所在位置和球半徑就可以決定包圍盒的大小。用每一個球的球心位置減去該球的半徑，然後比較這個值，最小的就是MinPt的值。同樣用每一個球的球心位置加上該球的半徑，其中最大的就是MaxPt的值。爲了方便後面繪製該包圍球，該結構體中還有一個Line結構體，該結構體表示包圍盒的邊的信息，定義如下

struct Line

{

VECTOR3 origin;

VECTOR3 end;

};

很明顯Line結構體中origin和end分別表示包圍體一條邊的起點和終點。Fig2顯示了Fig1中雲形狀的包圍盒。

(a)

(b)

Fig2. 雲的包圍盒

爲了用PointSprite來模型雲，我們需知道每個PointSprite在三維空間中的位置。而這些位置就是由雲的形狀來決定的。只要能找到每個球內的PointSprite，那麼就能利用PointSprite來模擬雲的形狀了。這裏用的方法有點體渲染(Volume Rendering)的味道。先將包圍盒分成一個一個的體素(voxel)，voxel的多少由voxel的大小來決定。現在要做的就是抽取出所有球內的voxel。