大规模自然场景建模与绘制

论文摘要

大规模自然场景建模与绘制技术,在虚拟战场、三维游戏及影视制作等领域有着广泛的应用。随着应用的不断扩展和深入,人们对场景规模、仿真精度及交互性能等提出越来越高的要求。为了满足虚拟战场环境的应用需求,本文深入研究了大规模自然场景建模与绘制的几项关键技术:动态云景建模与绘制、大规模三维地形绘制、海面波浪建模与绘制。本文完成的主要工作和取得的创新研究成果如下:（1）深入研究了大规模地形的LOD模型与绘制算法。随着图形处理器（GPU）的快速发展,传统的依靠CPU进行精确的视锥剔除和复杂的多分辨率拼接的地形LOD模型和绘制算法已不能充分发挥图形系统的总体性能。本文提出了一种能更好发挥GPU的绘制能力、平衡CPU与GPU负载的Patch-LOD地形绘制算法。该算法的特点是:引入地形瓦片金字塔和地形概要金字塔概念,实现了大规模地形数据存储模型和地形块调度算法,其中地形概要金字塔是地形瓦片金字塔的索引信息,其所需要存储空间很少,可以完整地载入内存,能方便地用于视锥剔除、遮挡剔除与LOD控制;引入索引模板和衔接性索引模板概念,使不同LOD层次的地形块实现快速的无缝拼接;引入地形瓦片的上下夹面概念,以上夹面替换地形块进行遮挡剔除计算,以下夹面替换地形块进行水平线构造运算,从而提高遮挡剔除算法的效率。实验结果表明,Patch-LOD地形绘制算法效率高,能满足大规模、交互式自然场景漫游系统的实时性要求。（2）深入研究了大规模地形的几何细节生成和纹理细节生成,提出了一种基于小样本纹理的大规模地形动态纹理合成算法。由于计算机存储能力和I/O带宽等限制,大规模自然场景的几何细节与纹理细节在规模上和精度上受到了一定的制约。为了产生逼真的地面场景效果,本文在Patch-LOD地形绘制算法的架构下,充分利用几何数据既有的存取预测机制和LOD控制机制,综合考虑地形数据的地理信息、几何信息,在若干小样本纹理的基础上,实现了动态纹理的实时合成。实验结果表明,在大规模地形缺少相应的纹理数据、或者大纹理数据存取困难的情况下,采用本文的动态纹理合成算法,能以很小的代价获得地面场景真实感的显著提高。（3）本文对海面波浪仿真技术进行了深入研究,提出了一种基于波浪方向分布函数分解模型的近岸水域波浪仿真算法。波浪在深浅不均的水域进行传播时,会发生折射、绕射等一系列的效应。特别当波浪传播到浅水域时,波浪前锋呈现出逐步与水底地形法向量一致的趋势。本文根据近岸水域波浪的上述特点,将近岸水域波浪分解为两个部分,其一为方向波,采用了三角余弦函数建模,其二为随机波浪,采用了基于缠绕分形面的水面波浪模型。实验结果表明,这种方法具有效率高、逼真性好等优点。（4）本文研究了动态云景仿真,提出了基于格子Boltzmann模型和细胞自动机模型的分阶段动态云景建模方法。由于动态云景仿真有复杂的物理背景,基于物理模型的仿真算法所需要的计算资源十分巨大,其完整的物理过程仿真需要专用的大规模并行计算系统才能完成。为了使动态云景仿真算法满足逼真性和实时性的要求,本文将云景仿真过程分为两个阶段,在预处理阶段采用格子Boltzmann模型进行大气流场仿真;在实时模拟阶段利用大气流场仿真的结果,采用改进的细胞自动机模型进行复杂风场条件下的云景仿真。该方法既充分体现大气流场的物理规律,可以获得逼真的动态云景仿真效果,又具有计算速度快、边界条件易于处理等优点。综合应用以上研究成果,开发了一个包含大范围、多类型的陆地地形、海面场景、动态云景的大规模三维自然场景的建模与绘制实验系统。实验结果表明,本文中提出的模型和算法可有效改善自然场景的逼真性,提高场景绘制的实时性和应用系统的交互性能。

论文目录

• 目录
• 表目录
• 图目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 虚拟战场与虚拟自然场景
• 1.1.1 虚拟战场的发展历程
• 1.1.2 虚拟自然场景
• 1.2 自然场景常用建模方法
• 1.2.1 分形模型
• 1.2.2 基于文法的模型
• 1.2.3 粒子系统
• 1.2.4 Procedural模型
• 1.2.5 基于物理的建模
• 1.3 本文的研究内容
• 1.4 本文的组织结构
• 第二章 大规模地形几何数据存储、调度与绘制
• 2.1 层次细节模型及其相关算法
• 2.1.1 地形层次细节模型分类
• 2.1.2 基于规则网格的层次细节模型
• 2.1.3 嵌套多分辨率网格
• 2.2 地形数据的存储模型与调度算法
• 2.2.1 地形瓦片金字塔
• 2.2.2 地形概要金字塔
• 2.2.3 地形块缓冲池
• 2.2.4 多线程模式下的数据调度算法
• 2.3 地形几何数据压缩存储与实时解压
• 2.3.1 Walsh-函数及 Walsh-Hadamard变换
• 2.3.2 离散的Walsh-Hadamard变换
• 2.3.3 快速的Walsh-Hamadard变换的流程
• 2.3.4 压缩编码
• 2.3.5 编码方法比较
• 2.4 基于索引模板的Patch-LOD地形绘制算法
• 2.4.1 索引模板
• 2.4.2 不同分辨率的地形块拼接
• 2.4.3 衔接性索引模板
• 2.4.4 限制性四叉树
• 2.4.5 醒目度定义与醒目度判别式
• 2.4.6 基本算法
• 2.4.7 地形绘制效果与分析
• 2.5 地形遮挡剔除算法
• 2.5.1 相关的遮挡剔除算法
• 2.5.2 上夹面与下夹面
• 2.5.3 基于夹面的地形遮挡算法
• 2.5.4 水平线的渐进式构造与遮挡检测
• 2.5.5 结果与分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 大规模地形纹理合成、映射及细节生成
• 3.1 相关的工作
• 3.2 几何细节生成
• 3.2.1 Perlin分形面的构造
• 3.2.2 分形细节映射到大范围地形
• 3.3 动态纹理合成算法
• 3.3.1 计算生成纹理
• 3.3.2 动态块纹理预计算
• 3.3.3 算法实现
• 3.4 地形场景漫游系统
• 3.4.1 系统框架概述
• 3.4.2 测试与比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 水面仿真模型与绘制算法
• 4.1 相关的工作
• 4.2 海洋波动学基础
• 4.2.1 海浪谱分析
• 4.2.2 方向分布函数的经验公式
• 4.2.3 海浪的传播与变形
• 4.3 基于噪声分形面的海面波浪模型
• 4.3.1 海面高度场的生成算法
• 4.3.2 基于GPU的法向量合成算法
• 4.3.3 海面光照计算
• 4.3.4 分形面的自映射与分形序列生成
• 4.4 近岸水域的波浪与水面仿真
• 4.4.1 海浪的频率谱与方向谱
• 4.4.2 波浪折射
• 4.4.3 浅水域的海面模型
• 4.4.4 波浪频谱分解模型的算法实现
• 4.5 算法实现与结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 动态云景仿真模型
• 5.1 大气物理与云物理
• 5.1.1 云的分类
• 5.1.2 云的物理基本方程
• 5.2 细胞自动机与格子气模型
• 5.2.1 细胞自动机理论的发展历程
• 5.2.2 细胞自动机
• 5.2.3 格子Boltzmann 模型
• 5.3 大气流场模型
• 5.3.1 二维LGBTP微观动力学规则
• 5.3.2 三维LGBTP微观动力学规则
• 5.3.3 LGBTP微观变量及规则的代数表示
• 5.3.4 LGBTP基本物理原理
• 5.3.5 边界条件的设置
• 5.3.6 实验结果与比较
• 5.4 复杂风场条件下的云模型
• 5.4.1 细胞自动机模型中云状态描述
• 5.4.2 云的演变过程
• 5.4.3 复杂风场对云的影响
• 5.4.4 复杂风场条件下的云模拟
• 5.5 本章小结
• 第六章 动态实时云景绘制
• 6.1 大气光学基础
• 6.1.1 大气散射
• 6.1.2 多粒子散射
• 6.1.3 大气折射
• 6.2 考虑多重散射光照的绘制算法
• 6.2.1 多重散射
• 6.2.2 多重散射分布函数
• 6.2.3 二阶散射函数的推导
• 6.2.4 散射函数查找表与光照计算
• 6.2.5 云景绘制效果
• 6.3 层次频率模型
• 6.3.1 层次频率模型的背景
• 6.3.2 层次频率模型
• 6.3.3 LOF基本思想
• 6.3.4 实验结果与分析
• 6.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录 彩图