C语言结构体练习-互动粒子仿真

线下的C语言课，教完结构体的知识后，为了加深同学们对结构体知识的理解，带领大家一起实现了一个酷炫的互动粒子仿真小程序：

假设有15个粒子小球，要记录他们的速度、坐标，可以用数组实现：

float ball_x[15],ball_y[15]; // 小球的坐标
float ball_vx[15],ball_vy[15]; // 小球的速度

更好的方法，是利用结构体将一个物体的不同属性集合在一起，使代码更加简洁直观：

struct Ball
{float x,y;float vx,vy;
}
Ball balls[15];

利用结构体，可以逐步实现一个互动粒子仿真的小程序，效果如图所示。

1 静止小球初始化与显示

定义小球结构体Mover，包含颜色、坐标、速度、半径等成员变量，随机初始化结构体数组Mover movers[NUM_MOVERS]，并在画面中显示。

#include <graphics.h>
#include <math.h>
#include <time.h>

#define WIDTH       1024        // 屏幕宽
#define HEIGHT      768         // 屏幕高
#define NUM_MOVERS  800         // 小球数量

// 定义小球结构
struct Mover
{COLORREF   color;      // 颜色
    float       x,  y;          // 坐标
    float       vX, vY;         // 速度
    float       radius;       // 半径
};// 定义全局变量
Mover   movers[NUM_MOVERS];     // 小球数组

void startup()
{// 设置随机种子
    srand((unsigned int)time(NULL));// 初始化小球数组
    for (int i = 0; i < NUM_MOVERS; i++){movers[i].color = RGB(rand() % 256, rand() % 256, rand() % 256);movers[i].x   = rand()%WIDTH;movers[i].y   = rand()%HEIGHT;movers[i].vX  = float(cos(float(i))) * (rand() % 34);movers[i].vY  = float(sin(float(i))) * (rand() % 34);movers[i].radius  = (rand() % 34)/15.0;}initgraph(WIDTH, HEIGHT);BeginBatchDraw();
}void show()
{clearrectangle(0,0,WIDTH-1,HEIGHT - 1);    // 清空画面全部矩形区域
    for(int i = 0; i < NUM_MOVERS; i++){// 画小球
        setcolor(movers[i].color);setfillstyle(movers[i].color);fillcircle(int(movers[i].x + 0.5), int(movers[i].y + 0.5), int(movers[i].radius + 0.5));  // 四舍五入
    }   FlushBatchDraw();Sleep(2);
}void updateWithoutInput()
{
}
void updateWithInput()
{}
void gameover()
{EndBatchDraw();closegraph();
}int main()
{startup();  // 数据初始化
    while (1)  //  游戏循环执行
    {show();  // 显示画面
        updateWithoutInput();  // 与用户输入无关的更新
        updateWithInput();     // 与用户输入有关的更新
    }gameover();     // 游戏结束、后续处理
    return 0;
}

2 小球运动与反弹

利用反弹球的实现思路，实现所有小球碰到边界后反弹。

void updateWithoutInput()
{for(int i = 0; i < NUM_MOVERS; i++)  // 对所有小球遍历
    {float x  = movers[i].x;  // 当前小球坐标
        float y  = movers[i].y;float vX = movers[i].vX;  // 当前小球速度
        float vY = movers[i].vY;// 根据位置+速度，更新小球的坐标
        float nextX = x + vX;float nextY = y + vY;// 小球如果超过上下左右四个边界的话，位置设为边界处，速度反向
        if  (nextX > WIDTH)  { nextX = WIDTH;   vX = -1*vX; }else if (nextX < 0)    {nextX = 0;        vX = -1*vX; }if    (nextY > HEIGHT){ nextY = HEIGHT;   vY = -1*vY; }else if (nextY < 0)    { nextY = 0;       vY = -1*vY;        }// 更新小球位置、速度的结构体数组
        movers[i].vX = vX;movers[i].vY = vY;movers[i].x  = nextX;movers[i].y  = nextY;}
}

3 小球运动规范化

加入阻尼，模拟真实世界中运动物体受摩擦力逐渐变慢的效果；为了避免小球绝对静止，当小球速度过小时使其速度增大；修改小球的半径，速度越大则半径越大。

#define  FRICTION        0.96f       // 摩擦力、阻尼系数
void updateWithoutInput()
{for(int i = 0; i < NUM_MOVERS; i++)  // 对所有小球遍历
    {float x  = movers[i].x;  // 当前小球坐标
        float y  = movers[i].y;float vX = movers[i].vX;  // 当前小球速度
        float vY = movers[i].vY;// 小球运动有一个阻尼（摩擦力），速度逐渐减少
        vX = vX * FRICTION;vY = vY * FRICTION;        // 速度的绝对值
        float avgVX = abs(vX);float avgVY = abs(vY);// 两个方向速度的平均
        float avgV  = (avgVX + avgVY) * 0.5f;     // 因为有上面阻尼的作用，如果速度过小的话，乘以一个[0,3]的随机数，会以比较大的概率让速度变大
        if (avgVX < 0.1) vX = vX * float(rand()) / RAND_MAX * 3;if (avgVY < 0.1) vY = vY * float(rand()) / RAND_MAX * 3;        // 小球的半径在[0.4,3.5]之间，速度越大，半径越大
        float sc = avgV * 0.45f;sc = max(min(sc, 3.5f), 0.4f);movers[i].radius = sc;// 根据位置+速度，更新小球的坐标
        float nextX = x + vX;float nextY = y + vY;// 小球如果超过上下左右四个边界的话，位置设为边界处，速度反向
        if  (nextX > WIDTH)  { nextX = WIDTH;   vX = -1*vX; }else if (nextX < 0)    {nextX = 0;        vX = -1*vX; }if    (nextY > HEIGHT){ nextY = HEIGHT;   vY = -1*vY; }else if (nextY < 0)    { nextY = 0;       vY = -1*vY; }      // 更新小球位置、速度的结构体数组
        movers[i].vX = vX;movers[i].vY = vY;movers[i].x  = nextX;movers[i].y  = nextY;}
}

4 添加鼠标的吸引力、击打斥力、扰动力

增加鼠标对一定范围内小球的吸引力，小球距离鼠标越近，吸引力越大。

当鼠标左键按下时，会对一定范围内的小球产生极大斥力。类似往水塘中扔一个石块，距离越近，影响越大。

实现鼠标移动时对粒子的扰动力。类似在水面拿树枝搅动，搅动速度越快，扰动越大。

最终代码如下：

#include <graphics.h>
#include <math.h>
#include <time.h>

#define WIDTH       1024        // 屏幕宽
#define HEIGHT      768         // 屏幕高
#define NUM_MOVERS  800         // 小球数量
#define FRICTION    0.96f       // 摩擦力/阻尼系数

// 定义小球结构
struct Mover
{COLORREF   color;          // 颜色
    float       x,  y;          // 坐标
    float       vX, vY;         // 速度
    float       radius;         // 半径
};// 定义全局变量
Mover   movers[NUM_MOVERS];     // 小球数组
int     mouseX,     mouseY;         // 当前鼠标坐标
int     prevMouseX, prevMouseY;     // 上次鼠标坐标
int     mouseVX,    mouseVY;        // 鼠标速度
int     isMouseDown;                // 鼠标左键是否按下

// 绝对延时
void delay(DWORD ms)
{static DWORD oldtime = GetTickCount();    while(GetTickCount() - oldtime < ms)Sleep(1);    oldtime = GetTickCount();
}void startup()
{// 设置随机种子
    srand((unsigned int)time(NULL));// 初始化小球数组
    for (int i = 0; i < NUM_MOVERS; i++){movers[i].color = RGB(rand() % 256, rand() % 256, rand() % 256);movers[i].x   = rand()%WIDTH;movers[i].y   = rand()%HEIGHT;movers[i].vX  = float(cos(float(i))) * (rand() % 34);movers[i].vY  = float(sin(float(i))) * (rand() % 34);movers[i].radius  = (rand() % 34)/15.0;}// 初始化鼠标变量，当前鼠标坐标、上次鼠标坐标都在画布中心
    mouseX = prevMouseX = WIDTH / 2;mouseY = prevMouseY = HEIGHT / 2;isMouseDown = 0; // 初始鼠标未按下
initgraph(WIDTH, HEIGHT);BeginBatchDraw();
}void show()
{clearrectangle(0,0,WIDTH-1,HEIGHT - 1);    // 清空画面全部矩形区域
for(int i = 0; i < NUM_MOVERS; i++){// 画小球
        setcolor(movers[i].color);setfillstyle(movers[i].color);fillcircle(int(movers[i].x + 0.5), int(movers[i].y + 0.5), int(movers[i].radius + 0.5));}FlushBatchDraw();delay(5);
}void updateWithoutInput()
{float toDist   = WIDTH * 0.86;  // 吸引距离，小球距离鼠标在此范围内，会受到向内的吸力
    float blowDist = WIDTH * 0.5;   // 打击距离，小球距离鼠标在此范围内，会受到向外的斥力
    float stirDist = WIDTH * 0.125; // 扰动距离，小球距离鼠标在此范围内，会受到鼠标的扰动
// 前后两次运行间鼠标移动的距离，即为鼠标的速度
    mouseVX    = mouseX - prevMouseX;mouseVY    = mouseY - prevMouseY;// 更新上次鼠标坐标变量，为记录这次鼠标的坐标
    prevMouseX = mouseX;prevMouseY = mouseY;for(int i = 0; i < NUM_MOVERS; i++)  // 对所有小球遍历
    {float x  = movers[i].x;  // 当前小球坐标
        float y  = movers[i].y;float vX = movers[i].vX;  // 当前小球速度
        float vY = movers[i].vY;float dX = x - mouseX;    // 计算当前小球位置和鼠标位置的差
        float dY = y - mouseY; float d  = sqrt(dX * dX + dY * dY);    // 当前小球和鼠标位置的距离
// 下面将dX、dY归一化，仅反映方向，和距离长度无关。
        if (d!=0){dX = dX/d;dY = dY/d;}else{dX = 0;dY = 0;}// 小球距离鼠标 < toDist，在此范围内小球会受到鼠标的吸引
        if (d < toDist){// 吸引力引起的加速度幅度，小球距离鼠标越近，引起的加速度越大。但吸引力的值明显比上面斥力的值要小很多
            float toAcc = (1 - (d / toDist)) * WIDTH * 0.0014f;// 由dX、dY归一化方向信息，加速度幅度值toAcc，得到新的小球速度
            vX = vX - dX * toAcc;vY = vY - dY * toAcc;            }// 当鼠标左键按下，并且小球距离鼠标 < blowDist（在打击范围内，会受到向外的力）
        if (isMouseDown && d < blowDist){// 打击力引起的加速度幅度(Acceleration)，这个公式表示小球距离鼠标越近，打击斥力引起的加速度越大
            float blowAcc = (1 - (d / blowDist)) * 10;// 由上面得到的dX、dY归一化方向信息，上面的加速度幅度值blowAcc，得到新的小球速度
            //  float(rand()) / RAND_MAX 产生[0,1]之间的随机数
            // 0.5f - float(rand()) / RAND_MAX 产生[-0.5,0.5]之间的随机数，加入一些扰动
            vX = vX + dX * blowAcc + 0.5f - float(rand()) / RAND_MAX;vY = vY + dY * blowAcc + 0.5f - float(rand()) / RAND_MAX;}// 小球距离鼠标 < stirDist，在此范围内小球会受到鼠标的扰动
        if (d < stirDist){// 扰动力引起的加速度幅度，小球距离鼠标越近，引起的加速度越大。扰动力的值更小
            float mAcc = (1 - (d / stirDist)) * WIDTH * 0.00026f;// 鼠标速度越快，引起的扰动力越大
            vX = vX + mouseVX * mAcc;vY = vY + mouseVY * mAcc;          }// 小球运动有一个阻尼（摩擦力），速度逐渐减少
        vX = vX * FRICTION;vY = vY * FRICTION;// 速度的绝对值
        float avgVX = abs(vX);float avgVY = abs(vY);// 两个方向速度的平均
        float avgV  = (avgVX + avgVY) * 0.5f;// 因为有上面阻尼的作用，如果速度过小的话，乘以一个[0,3]的随机数，会以比较大的概率让速度变大
        if (avgVX < 0.1) vX = vX * float(rand()) / RAND_MAX * 3;if (avgVY < 0.1) vY = vY * float(rand()) / RAND_MAX * 3;// 小球的半径在[0.4,3.5]之间，速度越大，半径越大
        float sc = avgV * 0.45f;sc = max(min(sc, 3.5f), 0.4f);movers[i].radius = sc;// 根据位置+速度，更新小球的坐标
        float nextX = x + vX;float nextY = y + vY;// 小球如果超过上下左右四个边界的话，位置设为边界处，速度反向
        if  (nextX > WIDTH)  { nextX = WIDTH;   vX = -1*vX; }else if (nextX < 0)    {nextX = 0;        vX = -1*vX; }if    (nextY > HEIGHT){ nextY = HEIGHT;   vY = -1*vY; }else if (nextY < 0)    { nextY = 0;       vY = -1*vY; }// 更新小球位置、速度的结构体数组
        movers[i].vX = vX;movers[i].vY = vY;movers[i].x  = nextX;movers[i].y  = nextY;}
}void updateWithInput()
{MOUSEMSG m;        // 定义鼠标消息
    while (MouseHit())  //检测当前是否有鼠标消息
    {m = GetMouseMsg();if (m.uMsg==WM_MOUSEMOVE) // 鼠标移动的话，更新当前鼠标坐标变量
        {mouseX = m.x; mouseY = m.y;}else if (m.uMsg==WM_LBUTTONDOWN)  // 鼠标左键按下
            isMouseDown = 1;else if (m.uMsg==WM_LBUTTONUP)    // 鼠标左键抬起
            isMouseDown = 0;}
}void gameover()
{EndBatchDraw();closegraph();
}int main()
{startup();  // 数据初始化
    while (1)  //  游戏循环执行
    {show();  // 显示画面
        updateWithInput();     // 与用户输入有关的更新
        updateWithoutInput();  // 与用户输入无关的更新
    }gameover();     // 游戏结束、后续处理
    return 0;
}

更多趣味学C语言教程，可以参考我之前写的图书：

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