真实感云场景模拟技术的研究与实现

论文摘要

真实感自然场景模拟技术一直以来都是计算机图形领域的热点研究问题之一,而真实感云场景模拟技术则是其中一个重要的组成部分。云场景模拟技术的研究不仅在计算机图形和虚拟现实等领域中有着重要的意义,同时对于大气气象学、流体力学和航空航天领域等也具有重要的实际意义。本文在总结国内外研究成果的基础上,研究并实现了真实感云场景模拟的方法。在论文研究过程中,按离地高度对云进行分类,实现了包括卷云和积云两类云体的复杂场景真实感模拟。并在此基础上,重点致力于研究如何使多样化的云模型能够真实地反映出不同条件下的光照效果以及大气散射效果(体积光)。论文主要研究内容与成果概括如下:1.针对卷云场景的分布特点,基于二维纹理空间建模,使用Perlin噪声生成云浓度图。并设计了一种反射光与透射光相结合的光照模型,改善了传统方法无法真实反映不同角度太阳光照的问题,实现了不同光照条件下的卷云层模拟。2.为了突出积云的个体特征,建立了基于粒子元片的静态云模型,在此基础上设计了一种基于光照贴图的两遍光照渲染算法来模拟云的多重散射光照效果。光照贴图能够达到像素级的精度,从而很好地保存了云粒子元片的光照信息。3.研究了以云为遮蔽物而产生体积光效果的真实感绘制方法,设计了一种基于屏幕空间的后处理算法。在已有算法的基础上,进行了边缘修正与Alpha衰减修正这两个方面的处理,并实现了云层的体积光模拟。上述真实感云场景的模拟算法均都已在原型系统进行了实现,原型系统的算例结果验证了本文研究成果的正确性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 真实感自然场景模拟技术概述
• 1.2 真实感云场景模拟技术概述
• 1.2.1 云的基本形态模拟
• 1.2.2 云的动态效果模拟
• 1.2.3 云的光照效果模拟
• 1.3 GPU 与GPU 编程
• 1.3.1 GPU 的发展
• 1.3.2 GPU 图形处理流水线
• 1.3.3 顶点着色器
• 1.3.4 像素着色器
• 1.4 论文选题依据、研究目的、内容和意义
• 1.5 论文体系结构
• 第二章 基于 Pernlin 噪声的卷云场景模拟
• 2.1 引言
• 2.2 Perlin 噪声
• 2.3 基于二维Perlin 噪声的卷云浓度图生成
• 2.4 卷云的动态模拟
• 2.4.1 元胞自动机理论
• 2.4.2 基于流体力学的动态模拟
• 2.4.3 线性插值法
• 2.5 卷云光照模型
• 2.5.1 反射光
• 2.5.2 透射光
• 2.5.3 光照计算结果分析
• 2.6 GPU 加速技术的应用
• 2.7 本章小结
• 第三章 基于粒子系统的静态积云模拟
• 3.1 引言
• 3.2 粒子系统
• 3.2.1 粒子系统的结构
• 3.2.2 粒子系统与公告板技术
• 3.2.3 公告板技术的原理及实现
• 3.2.4 积云的粒子模型
• 3.3 光强散射模拟
• 3.3.1 多重散射物理模型
• 3.3.2 多重散射模型的求解
• 3.3.3 视点方向上的散射
• 3.4 算法具体实现流程
• 3.4.1 第一遍光照计算
• 3.4.2 第二遍光照计算
• 3.4.3 积云体的实时绘制
• 3.5 实验结果分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 体积光散射效果的模拟
• 4.1 引言
• 4.2 体积光的散射物理模型
• 4.3 基于屏幕空间的体积光渲染算法
• 4.4 积云体的体积光绘制
• 4.5 实验结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 原型系统的设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 系统模块的总体设计
• 5.3 原型系统的具体实现
• 5.4 模拟效果及分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 进一步研究的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间公开发表论文
• 致谢