VC++ DirectDraw 實現火焰燃燒視覺模擬完整實作

模擬原理與數學模型

火焰本質為高溫氣體對流擴散系統。為達即時效能，採簡化近似模型：

• 火源：二值位圖標記，高亮像素為火源。
• 擴散：像素新值 = 自身與上下左右四鄰像素平均值 (P(x,y)+P(x,y-1)+P(x,y+1)+P(x-1,y)+P(x+1,y))/5。
• 冷卻：每幀減去固定衰減值 c，或使用預計算冷卻貼圖 CoolingMap 實現非均勻冷卻。
• 對流：整體向上捲動 1-2 像素模擬熱空氣上升。

基礎偽代碼

BYTE buffer1[W*H], buffer2[W*H];
while (true) {
    for y=1 to H-2:
        for x=1 to W-2:
            n1=buffer1[x+1,y]; n2=buffer1[x-1,y];
            n3=buffer1[x,y+1]; n4=buffer1[x,y-1];
            p = (n1+n2+n3+n4+buffer1[x,y]) / 5; // 四鄰域平均
            p = p - c;                           // 固定冷卻
            if (p < 0) p = 0;
            buffer2[x,y-1] = p;                  // 向上捲動一像素(對流)
    Copy buffer2 to screen;
    Copy buffer2 to buffer1;
}

進階改進：非均勻冷卻與種子點

冷卻貼圖

• 預先產生隨機亮度點經平滑濾波得到 CoolingMap。
• 冷卻公式改為 Pixel = Pixel - CoolingMap[x,y]。
• 對流同步：memcpy(lightBuf1, lightBuf1+W*3, W*(H-3)) 向上捲動冷卻貼圖。

火種點貼圖

• 預製 SeedMap 標記潛在火源位置。
• 每幀以機率 rand() < RAND_MAX/5 在種子點生成高亮火源（255）。
• 記憶體指標操作避免重複計算座標轉換。

DirectDraw 硬體加速渲染

初始化流程

// 1. 建立 DirectDraw 物件
DirectDrawCreate(NULL, &lpDD, NULL);
// 2. 獨占全螢幕模式
lpDD->SetCooperativeLevel(hwnd, DDSCL_EXCLUSIVE | DDSCL_FULLSCREEN);
// 3. 設定顯示模式 640x480x16bit
lpDD->SetDisplayMode(640, 480, 16);
// 4. 建立主介面（複雜介面，含後台緩衝）
DDSURFACEDESC ddsd = { sizeof(ddsd) };
ddsd.dwFlags = DDSD_CAPS | DDSD_BACKBUFFERCOUNT;
ddsd.ddsCaps.dwCaps = DDSCAPS_PRIMARYSURFACE | DDSCAPS_FLIP | DDSCAPS_COMPLEX;
ddsd.dwBackBufferCount = 1;
lpDD->CreateSurface(&ddsd, &lpDDSPrimary, NULL);
// 5. 取得後台緩衝區
DDSCAPS ddscaps = { DDSCAPS_BACKBUFFER };
lpDDSPrimary->GetAttachedSurface(&ddscaps, &lpDDSBack);

雙緩衝渲染迴圈

// 1. 清除後台緩衝
lpDDSBack->Blt(NULL, NULL, NULL, DDBLT_COLORFILL | DDBLT_WAIT, &ddbltfx);
// 2. 鎖定後台緩衝存取記憶體
ddrval = lpDDSBack->Lock(NULL, &ddsd, 0, NULL);
while (ddrval == DDERR_WASSTILLDRAWING);
if (ddrval == DD_OK) {
    fire.render((WORD*)ddsd.lpSurface); // 將火焰像素寫入顯存
    lpDDSBack->Unlock(NULL);
}
// 3. 換頁顯示
while (1) {
    ddrval = lpDDSPrimary->Flip(NULL, 0);
    if (ddrval == DD_OK) break;
    if (ddrval == DDERR_SURFACELOST) {
        lpDDSPrimary->Restore();
        if (ddrval != DD_OK) break;
    }
    if (ddrval != DDERR_WASSTILLDRAWING) break;
}

核心渲染優化細節

• 使用 WORD* 直接操作 16-bit 顯存（565 格式），避免色彩轉換開銷。
• 所有模擬運算在系統記憶體 buffer1/buffer2 完成，僅最終結果寫入顯存。
• 鎖定/解鎖機制確保 GPU 不在讀取時寫入，防止撕裂。
• Flip 硬體換頁近乎零成本，實現流暢 60+ FPS。

實驗結果與結論

在 Windows 98 + VC++ 6.0 + DirectX 5.0 環境測試，火焰燃燒效果逼真流暢。關鍵洞見：

1. 資料緩衝區處理方式使運算速度與模擬對象複雜度解耦。
2. 大量近似簡化（四鄰域平均、定點冷卻、位圖種子）在視覺上極難察覺差異。
3. DirectDraw 硬體加速是即時視覺模擬的關鍵推手。

同架構可延伸至水波、煙霧、爆炸等自然現象模擬，並可移植至 OpenGL/Direct3D 現代圖形 API。