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GAMES101(作业8）

article 2024/9/30 0:29:52

作业8

题目：

模拟绳子动画，包括基于物理的，和非物理的，应该修改的函数是:rope.cpp 中的void Rope::simulateEuler(... Rope::rope(...)，，void Rope::simulateVerlet(...)

代码框架：

main:负责接收命令行参数，通过getopt捕获参数设置AppConfig的数据-》创建Application，设置渲染器

int getopt(int argc,char * const argv[ ],const char * optstring);用来分析命令行参数
- 参数argc和argv分别代表参数个数和内容，跟main( )函数的命令行参数是一样的。
- 参数 optstring为选项字符串
  - 单个字符，表示选项
  - 单个字符后接一个冒号：表示该选项后必须跟一个参数
  - 单个字符后跟两个冒号，表示该选项后可以跟一个参数，也可以不跟。
- 全域变量optarg指向当前选项参数（如果有）的指针。

CGL:命名空间，包含应用层一下所有模块

application:应用程序

AppConfig类，负责从命令行接收信息，mass质点的质量,ks弹簧劲度系数,gravity重力，steps_per_frame每帧仿真步长数
Application类继承CGL库中的Renderer
- 初始化，调用rope的构造函数
- 渲染，通过opengl库：渲染点（质点），线（弹簧）

void Application::render() {
  //Simulation loops
  for (int i = 0; i < config.steps_per_frame; i++) {/* 每帧仿真步长数 */
    /* 对两个绳子更新这一帧的位置 */
    ropeEuler->simulateEuler(1 / config.steps_per_frame, config.gravity);
    ropeVerlet->simulateVerlet(1 / config.steps_per_frame, config.gravity);
  }
  // Rendering ropes
  Rope *rope;
  /* 分别两个绳子，并设置颜色，和当前绳子*/
  for (int i = 0; i < 2; i++) {
    if (i == 0) {
      glColor3f(0.0, 0.0, 1.0);
      rope = ropeEuler;
    } else {
      glColor3f(0.0, 1.0, 0.0);
      rope = ropeVerlet;
    }
    /* 绘制质点 */
    glBegin(GL_POINTS);

    for (auto &m : rope->masses) {
      Vector2D p = m->position;
      glVertex2d(p.x, p.y);
    }

    glEnd();
    /* 绘制弹簧 */
    glBegin(GL_LINES);

    for (auto &s : rope->springs) {
      Vector2D p1 = s->m1->position;
      Vector2D p2 = s->m2->position;
      glVertex2d(p1.x, p1.y);
      glVertex2d(p2.x, p2.y);
    }

    glEnd();
    /* 提交缓冲区到前台 */
    glFlush();
  }
}

rope:绳子类，包括质点数组，弹簧数组，simulateEuler基于物理的仿真，simulateVerlet非物理的仿真

mass:质点类，包含一个质点，质量，pinned是否是固定的，开始位置，速度，受力等

spring:弹簧类，包括一个弹簧，2个质点，长度，劲度系数k等

解：

首先安装库

sudo apt i n s t a l l l i b g l u 1 −mesa−dev f r e e g l u t 3 −dev \\
mesa−common−dev
sudo apt i n s t a l l xorg−dev #会自 动 安装 l i b f r e e t y p e 6 −dev

创建绳子

在构造函数中，遍历每个质点，调用mass:类和spring类的构造，并存放到rope的数组中，并且根据参数值，设置mass:对象和spring对象的属性

Vector2D step = (end - start) / (num_nodes - 1);
for(int i = 0; i < num_nodes; i++){
    masses.push_back(new Mass(start + step * i, node_mass, true));
    if(i){
        springs.push_back(new Spring(masses[i-1], masses[i], k));
        masses[i]->pinned = false;
    }
}

simulateEuler（）

首先遍历绳子的每个弹簧，根据胡可定律计算受到的力，包括ab质点的相互作用力，fr摩擦力，以及空气阻力，带入公式就好

然后遍历每个质点，如果非固定属性，那么根据首先根据f = ma 计算加速度，再根据欧拉方法计算质点的这一步长的位置，+=是上一步长的位置 + 这一步长的增量

for (auto &s : springs)
{
    float length = (s->m2->position - s->m1->position).norm();
    Vector2D dis = s->m2->position - s->m1->position;
    Vector2D force = s->k * (length - s->rest_length) * dis / length;
    s->m1->forces += force;
    s->m2->forces -= force;
    // damping
    Vector2D reve = s->m2->velocity - s->m1->velocity;
    Vector2D force1 = 0.05 * (reve.x * dis.x + reve.y * dis.y) * dis / length;
    s->m1->forces += force1;
    s->m2->forces -= force1;
    // air damping
    s->m1->forces -= 0.005 * s->m1->velocity;
    s->m2->forces -= 0.005 * s->m2->velocity;

for (auto &m : masses)
{
    if (!m->pinned)
    {
        m->forces += gravity;
        m->velocity += m->forces / m->mass * delta_t;
        m->position += m->velocity * delta_t;
        m->forces = Vector2D(0, 0);
}

simulateVerlet（）

作业告诉了这个公式，带入就好

for (auto &s : springs)
{
    float length = (s->m2->position - s->m1->position).norm();
    Vector2D dis = s->m2->position - s->m1->position;
    Vector2D force = s->k * (length - s->rest_length) * dis / length;
    s->m1->forces += force;
    s->m2->forces -= force;
}
for (auto &m : masses)
{
    if (!m->pinned)
    {
        Vector2D temp_position = m->position;
        m->forces += gravity;
        Vector2D pos = m->position;
        m->position += (1 - 0.00005) * (m->position - m->last_position) + m->forces / m->mass * delta_t * delta_t;
        m->last_position = pos;
    }
    m->forces = Vector2D(0, 0);
}