航海模拟器中基于GPU的雨的实时渲染

论文摘要

雨等大气现象是自然环境的重要组成部分。在航海实践中,降雨造成的能见度的降低直接影响到航行安全。在航海模拟器视景系统中加入不同强度降雨的模拟效果,增强了对能见度不良情况的仿真效果,对于生成逼真沉浸感的航海仿真环境具有十分重要的意义。降雨过程中,雨滴的数量巨大,下落运动十分复杂,加之下落过程中雨线的扭曲变形在不同光照情况下呈现出复杂的动态效果,使得雨的实时模拟变得十分困难。本文发展了一种基于GPU(图形处理器)的粒子系统的方法,实现雨线粒子下落的运动算法;提出根据不同的视点和光源方向、在显存中建立雨线纹理库、绘制过程中索引相应的纹理的方法。该方法在初始化阶段,将数千条离线生成的不同情况下的雨线图像按照一定的结构存储在一个纹理对象中,建立雨线纹理库。渲染过程中的每一帧,根据上一帧雨线粒子的速度、位置等相关参数,利用GPU并行流处理能力,计算当前帧雨线粒子的速度、位置,并将计算后的结果渲染到纹理缓冲区。绘制过程中,将存储在纹理中的位置数据转换为顶点数组;在顶点处理阶段,获取各顶点位置等相关数据用于计算雨线粒子的索引参数,进而根据索引参数及纹理的存储结构索引相应的纹理。作者最终实现了十万级雨线粒子数的、真实感较强的雨的实时渲染,较好的兼顾了真实感和航海模拟器对实时性的要求。对于本文的渲染模型,雨线粒子数在2万左右时,通过调整相关参数,可以实现不同强度的降雨效果,对模拟器视景系统的性能影响也很小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究现状
• 1.2 本文的目的和意义
• 1.3 图形开发环境的选择
• 1.4 论文的组织结构
• 第2章 粒子系统与可编程GPU流水线
• 2.1 粒子系统
• 2.1.1 粒子系统产生与发展
• 2.1.2 粒子系统的特点
• 2.1.3 粒子系统的分类
• 2.1.4 粒子系统模拟的基本流程结构
• 2.1.5 粒子系统的应用
• 2.2 可编程GPU流水线
• 2.2.1 GPU的发展
• 2.2.2 基于可编程GPU的图形流水线
• 第3章 基于GPU的雨线运动算法
• 3.1 雨线的形成
• 3.2 GPU实现的原因
• 3.3 算法流程框架
• 3.4 雨线粒子速度模型
• 3.5 粒子数据的传输
• 3.6 粒子数据的存储
• 3.7 具体实现
• 3.7.1 实现GPU并行运算的准备工作
• 3.7.2 雨线运动算法的GPU实现
• 第4章 雨线的实时绘制
• 4.1 纹理数据到顶点数据的转换
• 4.2 雨线纹理库的创建
• 4.3 雨线的生成算法
• 4.3.1 雨线纹理的生成算法
• 4.3.2 降雨强度控制
• 4.4 效果和性能方面的技巧
• 第5章 结论与展望
• 5.1 实验结果与结论
• 5.2 各阶段性能与瓶颈分析
• 5.3 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历