基于物理规律的雨雪场景仿真研究

基于物理规律的雨雪场景仿真研究

论文摘要

真实感场景的绘制是计算机图形学研究的热点和难点之一,它作为虚拟现实技术的关键部分,近几年受到广泛的重视。在户外场景中,雨雪景象是非常常见的。用计算机来模拟雨、雪从生成到下落的过程,必将大大增加虚拟场景的真实感,也能让更多的人来观察并了解雨、雪的形成过程。其在动画游戏、驾驶仿真、虚拟现实、影视特效等方面都有重要的应用价值。由于雨、雪是不规则对象,没有光滑、规则的表面,其形成、运动等物理机理又非常的复杂,因而雨、雪的建模与实时绘制一直是困扰计算机图形学的难点问题之一。从雨雪的物理特性出发,本文采用相关图形建模与绘制技术,实现了雨雪场景的模拟。论文首先介绍了相关基础技术,包括图形学仿真技术、OpenGL和粒子系统。OpenGL是一个与硬件无关的三维图形开发库,它为三维动画的开发提供了可供参考的丰富函数功能。粒子系统是把所要模拟的模糊物体看作众多粒子组成的粒子团,每个粒子看做是简单的点,通过粒子的运动及属性变化来模拟动态现象。由于粒子系统兼顾了动态性和自相似性,故常用来模拟自然场景。接着本文对雨和雪的几何运动进行了建模。首先分析了雨滴的形状,然后采用元球模型来模拟雨滴,之后对雨滴在空中的下落及受风力作用下的运动进行了模拟;对于雪,同样在对其几何形成和运动原理分析的基础上,给出了雪花的几何及运动建模方法,对雪花的形状,自由落体运动和碰撞分裂等进行了模拟。随后本文给出了雨滴和雪花及雨雪场景的绘制方法。通过对雨滴按经度和维度遍历其表面上的每个点,模拟水滴的表面,并在此基础上进一步做出雨滴分裂与融合的过程,进一步地利用环境映射来渲染雨滴;采用粒子系统技术来绘制出大小、形状、密度不相同的一系列雪粒子;通过OpenGL提供的雾化工具及粒子系统模拟出雨雪天气情况下的户外场景。论文的最后通过鼠标与键盘的操作实现了虚拟雨雪场景中的交互漫游。相关研究成果可用于虚拟漫游仿真技术、动画、游戏、影视特技等领域。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.2 国内外研究现状
  • 1.3 本论文研究内容
  • 第2章 相关研究基础
  • 2.1 图形仿真技术简介
  • 2.2 OpenGL概述
  • 2.3 粒子系统简介
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 雨滴的几何及运动建模
  • 3.1 雨滴的形成过程
  • 3.2 雨滴的形状模拟
  • 3.3 雨滴的运动建模
  • 3.4 本章小结
  • 第4章 雪花的几何及运动模拟
  • 4.1 雪花的形成及受力分析
  • 4.2 雪花的形状模拟
  • 4.3 雪花的运动模拟
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 雨雪场景的模拟
  • 5.1 雨滴的绘制
  • 5.2 雪花粒子系统的建立
  • 5.3 雨雪场景的绘制
  • 5.4 本章小结
  • 第6章 仿真结果
  • 第7章 总结与展望
  • 7.1 本文总结
  • 7.2 未来展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 相关论文文献

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