数值三维云建模与渲染技术的研究

发布时间：2020-04-28 02:54

【摘要】：作为自然景物的一个重要组成部分,云的模拟是当今计算机图形学和气象领域的研究热门。云的模拟无论是在真实场景的构建还是在影视动画仿真都起到重要的作用,将模拟的云图加入到模拟场景中能够有效地提高视觉效果,增加虚拟环境的真实感。此外,利用真实的气象数据模拟出的三维云具有丰富的气象信息,能够辅助气象工作者更加方便、直观的观察天气的变化,同时在人工干预天气、天气预测等领域有着至关重要的影响。目前基于气象数据的云模拟技术已经在世界各国气象部门甚至国防领域普遍展开,其技术成果在人类生产生活、社会经济发展以及气象预测和气象武器领域发挥着重要作用。本文基于真实的气象数据开展研究,针对粒子系统建模速度迟缓,碰撞检测速度慢等问题,提出了一种新的基于粒子系统的云建模方法,在保证不影响绘制效果的基础上缩短绘制时间,并且提出了一种新的邻域分析算法加速光线跟踪,降低云模拟过程中的计算复杂度。本文的研究主要包括两个方面:(1)在云的建模方法上,针对粒子系统中碰撞检测计算复杂度高,绘制效率慢等问题,提出了使用二元空间分区树方法将模拟场景划分成若干区域,加快了云粒子与其他物体的碰撞检测效率,同时将具有近似属性的粒子聚集成簇,通过构建粒子簇树来避免对所有粒子进行碰撞检测,一定程度上降低了计算量;利用纹理贴图技术对粒子进行细节纹理的处理,并采用多重前向散射光照模型对粒子进行渲染,模拟光线对云粒子颜色、阴影产生的作用,最终绘制成逼真的云图。(2)在云的真实感绘制上,针对传统光线跟踪算法计算方式复杂,绘制时间长,求交过程计算量大的问题,提出了基于八叉树邻域分析光线跟踪的加速算法。该方法通过八叉树结构改进了数据的存储方式,降低了数据存储的复杂度;利用邻域分析算法加快光线与物体的求交速度,避免了大部分的递归运算,提高了绘制效率;简化了Whitted光照模型中折射光线的计算方式,降低了计算时间;最终结合Vapor和OpenGL实现气象云数据的三维可视化。
【图文】：

纹理图,纹理图,视点

图 3.4 本文选取的纹理图片库中的纹理映射函数 glGenTexturameteri 等完成纹理贴图映射位置和观察者的视点位置是不断或者视点位置发生改变时，会造生，，本文采用 Billboard 技术[47illboard 技术是一种基于图像的视的物体模拟，这种方法也适用于形，将选取的纹理图片贴在平行无论观察者的视点如何发生改变

云图,帧率,粒子系统,粒子数量

图 3.6 粒子系统云建模在不同粒子数量下，绘制帧率的对比结果。由实验绘制图像的帧率会逐渐减少，本文对比了传统粒子方法，表 3-2 为两种方法的绘制帧率对比，经过对数量增加时展现出绘制效率的优越性。表 3-2 渲染帧率对比表传统粒子系统/fps 本文16.3 10.5 5.9 3.2 ）分别给出了采用纹理贴图和未采用纹理贴图的绘出，未采用纹理贴图的云图边界粒子化现象严重，用纹理贴图的云图边界粒子化现象收敛了许多，并
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;P426.5

【参考文献】