基于GPU的火焰实时体绘制技术研究

发布时间：2020-03-11 02:44

【摘要】： 火焰模拟仿真与实时绘制技术一直是计算机图形学和虚拟现实研究领域的热点和难点,也是数字文化产业的关键技术,该技术在影视动漫、交互娱乐、安全仿真等领域有着极为广泛的应用前景。在这些应用中,不仅要求逼真的火焰仿真结果,而且需要实时的绘制性能。前人在火焰的模拟和绘制等方面也作了很多的工作,但是在绘制的逼真性和实时性都还与应用存在着一定的差距。本文针对这些应用需求,深入研究了火焰体数据的实时绘制技术,从大规模三维数据场的处理与表示、基于图形硬件的加速绘制以及火焰数据的逼真绘制三个角度展开,取得的主要研究成果如下: 一、在大规模三维体数据场的表示与处理方面,提出了一种基于主成分分析的大规模时变三维数据场压缩方法。三维数据场的表示和处理是进行实时逼真火焰绘制的前提和基础。对于流体力学的仿真数据,一方面其数据规模非常大,超出了当前图形硬件的存储能力,另一方面,该数据属于时序模拟数据,在时间轴上有很强的相关性。为了便于对数据进行分析和处理,我们对原始的时序很长的体数据场进行均匀分段,并利用主成分分析方法对数据帧之间的相关性进行压缩。在基于PCA压缩的三维数据场进行实时体绘制时,充分利用了CPU与图形硬件的并行工作机制,当GPU对上一段体数据进行绘制时,同时通过内存上传下一段的压缩数据到图形硬件。该方法充分利用了内存与显存之间的带宽,压缩数据的解压缩时间复杂度低,且解压操作可以在GPU上并行执行,充分利用了图形硬件的并行加速特性。二、在基于图形硬件的加速绘制方面,提出了一种基于GPU光线投射算法的体面混合绘制技术。烟雾等大规模体数据在虚拟场景中实时可视化的技术是一种新的体面混合绘制技术,在灾害现象仿真中有着重要的应用。在处理体面混合绘制时,已有的绘制算法难以实时地处理体数据的遮挡和裁剪,并在内窥绘制中出现片元空洞,而且在GPU上混合绘制烟雾等灾害数据绘制结果失真明显,并且难以通过参数调节减少失真。我们提出一种基于GPU的体面混合绘制算法,将体数据视为参与介质,同时将面绘制的结果作为体绘制的积分域约束条件,从而把面绘制中的裁减算法推广到体数据的绘制中,实现了体面混合绘制的无缝融合。实验结果表明该算法能够实时地绘制虚拟场景中的大规模体数据,并且能够处理复杂的内窥效果。三、针对火焰体数据绘制时的高动态范围特性,提出了一种基于GPU的实时高动态范围火焰绘制算法。火焰数据的可视化比其他参与介质更加难以绘制的原因在于火焰能够发射光线,而且其发射光线的光亮度范围超出计算机显示器所能够表示的色阶范围,难以用传统的低动态范围绘制算法对其进行绘制。本文方法基于物理光学和辐射度学,将火焰的温度场作为数据源,充分利用GPU的离屏绘制能力,将火焰绘制成为一张高动态范围图片,然后采用GPU将图片进行色调映射变成低动态范围图片,最终实现了对火焰的实时逼真绘制。
【图文】：

纹理图,动态纹理,火焰

模拟的方法和基于流体力学的三维数据场体绘制方法。在本章中，我们了不同的火焰模拟与绘制方法在国内外的研究进展，然后介绍了基于流拟的火焰和烟雾模拟方法。我们的火焰绘制主要是针对流体力学模拟数数据场可视化技术，针对流体力学模拟的火焰可视化，分析了三维数据方法以及在体绘制中大规模数据场压缩的相关工作。2.1基于动态纹理的火焰基于动态纹理的火焰模拟方法最初由hakagels】在1989年提出，其映射技术，在绘制表面上得点时，利用其纹理坐标对纹理图像进行采样的像素颜色，当时间变化时，对应的纹理图像也随着改变，从而模拟出果和运动的技术。该方法把火焰纹理图按照顺序在程序初始化时读入，按照顺序绑定纹理图像，周而复始就形成了火焰的动态效果。

火焰模拟,粒子系统,粒子

和颜色等一些属性用于模拟火焰。除此外，粒子使用速度来描述随着时间变化粒子在系统中的运动，粒子的生存时间用于描述粒子在产生后，经过多少时间之后消亡。使用粒子系统模拟火焰的如图2.2。图2.2基于粒子系统的火焰模拟粒子系统在图形学中被广泛使用，主要用来模拟火焰烟雾特效以及一些自然现象。基于粒子系统的火焰模拟具有以下的特性:粒子是比多边形更加简单的图元，因此，使用粒子系统来模拟可以在相同的模拟效率限制下使用更多的粒子得到更加复杂的火焰模拟效果。由于粒子系统的一组属性可以完全由其模拟的具体物体来决定，因此其使用灵活，，在火焰模拟中可以模拟各种形状各异的火焰。粒子系统通常使用的图元很多，因此在生成复杂火焰的动态效果中需8
【学位授予单位】：首都师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP391.41

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