（计算机应用技术专业论文）一种可行的大规模云层真实感建模及绘制研究.pdf

i e ：i 独创性声明 l i i ii ii iii iii iiiii ii il 18 0 2 5 10 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：拭宝蒸盘 日期：砂i 。年厂月5 ，日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 黼导师签名：j 鞋 日期：沙i o 年铜r 日 气 摘要 摘要 高空云层模拟是游戏中天空背景内容描述的一个方向，利用s k y b o x 以及 s k y d o m e 模型可以方便实现游戏中各种不同云以及气候环境下天空的模拟。在飞行 模拟类游戏中，视点会在空中翱翔，甚至会在云层中穿梭。这时候的云层不再是 以背景方式出现，而是一种参与交互运动的视觉对象。目前针对真实感云层建模 的很多研究都集中在真实感效果上，然而在一个实时引擎中很难引入这样的云层， 即需要解决其计算效率问题，提高其实时效果。 首先叙述了计算机中虚拟场景模拟绘制所需的基本知识，其次系统分析并比较 了目前国内外常用的云层真实感绘制的理论和研究方法。并结合实时引擎的需求， 提出了一种面向大规模云层真实感绘制的方法，该方法采用3 d 纹理( v o l u m et e x t u r e ) 的粒子系统方法和基于层次细节的3 d 绘制技术相结合，既实现了云层的模拟，也 提高了系统的实时性。而且围绕几类特殊的云层景观，给出了相应的真实感建模 和渲染，并详细讨论了其具体算法实现，包括：距离视点较近的体积云建模与渲 染以及距离视点较远的层云建模与渲染的处理方法。 课题针对真实感云层的研究主要在以下三个方面： 1 云层生成的真实性。采用3 d 纹理的粒子系统方法进行云层建模，云层本身 是由许多微小水珠构成，粒子系统可以很方便的进行建模，实验表明使用粒子系 统方法可以绘制出具有沉浸感的体积云。 2 云层形状发生改变的模拟。这一过程主要包括两个阶段：云层生成的模拟和 云层消散的模拟。这是动态云首先需要解决的问题之一，粒子系统中的粒子具有 生命周期属性，云层形状的变化是因为其内部小水珠的汽化和液化状态改变引起， 通过调节体积云内部某些3 d 纹理粒子的透明度实现云层形状变化的模拟。实验结 果表明，此方法能够较好的反映出云层的实时变化效果。 3 云层光照的真实性。受光照影响的体积云会显示出云团底层较灰暗而上层较 明亮的效果，称为“自阴影”，采用线性插值法计算云层光照，计算简便，而且能 够较好的模拟云层的光照效果。 关键词：虚拟现实，建模，渲染，体积云，3 d 纹理 l 一 a b s t r a ( 1 a b s t r a c t t h eu p p e ra i rc l o u ds i m u l a t i o ni sad i r e c t i o nt h a td e s c r i b e st h es k y - b a c k g r o u n di n m e3 dg a m e s u s i n gt h es k y b o x 弱w e l l 舔s k y d o m em o d e lc o u l ds i m u l a t ee a c h k i n do f d i f f e r e n tc l o u da sw e l la sc l i m a t i ce n v i r o n m e n te a s i l y b u ti nv i e wo ft h ef l i g h t s i m u l a t i o ng a m e s ，t h ev i e w p o i n tw i l lh o v e ri na i r b o r n ea n ds h u t t l eb a c ka n df o r t hi nt h e c l o u dl a y e r t h e ni nt h i ss i t u a t i o n , t h ec l o u dn ol o n g e ra p p e a r sb yt h eb a c k g r o u n dw a y b u ti sak i n do fv i s u a lo b j e c tp a r t i c i p a t i n gi n t e r a c t i v em o v e m e n t t h e r eh a sb e e n d o z e n s o fr e l a t e dr e s e a r c hi n3 dc l o u d sm o d e l i n gi nt h ep r e s e n tw o r l d t h ep r e s e n tr e s e a r c h e s m a i n l yc o n c e n t r a t ei nt h ee f f e c to fr e a l i t y h o w e v e r , t oi n t r o d u c e s u c hc l o u ds i m u l a t i o n e f f e c ti sad i f f i c u l tt a s k t h a ti s ，t os o l v ei t sc o u n t i n gy i e l dp r o b l e m , a n dt o e n h a n c e t i m e l i n e s se f f e c t f i r s t l y , t h ev i r t u a lr e a l i t y , w h i c hi st h ee l e m e n t a r yk n o w l e d g ef o rs i m u l a t i n g i s p r e s e n t e d s e c o n d l y , i ta l s oe n u m e r a t e st h ef o r e i g na n dd o m e s t i cp r e s e n tc o m m o n l y u s e dc l o u dr e a l i t yr e n d e r i n gt h e o r i e sa n dr e s e a r c ht e c h n i q u e s t h i r d l y , i tc a r r i e so nt h e s u m m a r ya n dt h ea n a l y s i sc o m p a r i s o nt ot h ee x i s t i n gc l o u dr e a l i t yr e n d e r i n gr e s e a r c h t e c h n i q u e s a n dt h ea c h i e v e m e n t s ，a n da c c o r d i n gt ot h er e a l - t i m ee n g i n e sd e m a n d ， p r o p o s e san e wl a r g e - s c a l ec l o u dr e a l i t yr e n d e r i n gm e t h o d ，b a s e do nt h e3 dt e x t u r e ( v o l u m et e x t u r e ) g r a n u l es y s t e ma n d t h el e v e ld e t a i l s3 dt e c h n o l o g y ad e e pr e s e a r c hi s l a u n c h e dr e g a r d i n gs e v e r a lk i n d so fs p e c i a lc l o u dl a n d s c a p e s r e a lm o d e l i n ga n d r e n d e r i n g , a n dt h ec o n c r e t ea l g o r i t h mr e a l i z a t i o ni sa l s od i s c u s s e di nd e t a i l ，i n c l u d i n g ： t h em o d e l i n ga n dr e n d e r i n go ft h ev o l u m e t r i cc l o u dw h i c hl i e sn e a rt h ev i e w p o i n ta n d t h em o d e l i n ga n dr e n d e r i n go ft h es t r a t u sc l o u dw h i c hl i e s f a ra w a yf r o mt h e v i e w p o i n t t h er e s e a r c ho i l t h ec l o u dr e a l i t ym o d e l i n ga n dr e n d e r i n gm a i n l yl i e s i nt h e f o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： 1 t h ep r o d u c t i o no fc l o u dl a y e ra u t h e n t i c i t y t h e3 dt e x t u r eb a s e dg r a n u l es y s t e m i su s e dt oc a r r yo nt h ec l o u dl a y e rm o d e l i n g t h ec l o u dl a y e ri sc o m p o s e do fm a n y s m a l lw a t e rd r o p s t h eg r a n u l es y s t e mm a yv e r yc o n v e n i e n tt oc a r r yo nt h em o d e l i n g t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h eu s eo fg r a n u l es y s t e mm a yh a st h ei m m e r s i o nf e e l i n g i i b o d yc u m u l u sc l o u d 2 t h ec l o u dl a y e rs h a p ea l w a y sc h a n g e s t h i sp r o c e s sm a i n l yi n c l u d e st w os t a g e s ： t h ep r o d u c t i o ne l o u dl a y e rs i m u l a t i o na n dt h ed i s s i p a t i o no fc l o u dl a y e rs i m u l a t i o n t h i s i so n eo fq u e s t i o n st h ed y n a m i cc l o u dn e e d st os o l v e i nt h eg r a n u l es y s t e m sg r a n u l e h a st h el i f ec y c l ea t t r i b u t e t h ei n t e r n a ls m a l lw a t e rd r o p sv a p o r i z a t i o na n d t h el i q u e f i e d c o n d i t i o nc h a n g ec a u s e st h ec l o u dl a y e rs h a p ec h a n g e d t h ec l o u dl a y e rs h a p ec h a n g e s i m u l a t i o nt h r o u g ht h ea d j u s t m e n tb o d yc u m u l u sc l o u di n t e r i o r c e r t a i n3 dt e x t u r e g r a n u l e st r a n s p a r e n c yi sr e a l i z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a t t h i sm e t h o d c a nb eag o o dr e f l e c t i o nc l o u dl a y e rr e a l - t i m ec h a n g ee f f e c t 3 t h ec l o u dl a y e ri l l u m i n a t i o na u t h e n t i c i t y i n f l u e n c e db y t h ei l l u m i n a t i o n ， v o l u m e t 五cc l o u d sc l u s t e rf i r s tf l o o ri sg l o o m y , b u tt h eu p p e rf o r m a t i o np r e s e n t sb r i g h t e f f e c t , c a l l e d “f r o mt h es h a d o w t h el i n e a ri n t e r p o l a t i o nc o m p u t a t i o n l sr a i s e dt o s i m l l l a t ec l o u dl a y e ri l l u m i n a t i o n t h ec o m p u t a t i o ni ss i m p l e ，a n dc a ns i m u l a t ef a n t a s t i c c l o u dl a y e ri l l u m i n a t i o ne f f e c t k e y w o r d ：v i r t u a lr e a l i t y , m o d e l i n g , r e n d e r i n g , v o l u m e t r i cc l o u d ，v o l u m et e x t u r e i i i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 虚拟现实1 1 1 1 虚拟现实的特点1 1 1 2 虚拟现实的应用2 1 2 章节安排4 1 3 本章小结5 第二章相关工作6 2 1 相关理论分析6 2 1 1 云层建模方法分析6 2 1 2 云层渲染方法分析1 l 2 2 课题关键技术1 3 2 2 1 云层建模中的粒子系统1 3 2 2 2 纹理映射技术1 6 2 3 系统实时性技术1 8 2 3 1i m p o s t o r 技术1 8 2 3 2l o d 技术2 2 2 4 本章小结2 4 第三章课题系统设计2 5 3 1 研究背景2 5 3 1 1 体积云概念2 5 3 1 2 课题来源2 6 3 2s t u d i o 场景编辑系统2 6 3 2 1s t u d i o 场景编辑系统简介2 6 3 2 2r o m a n s 3 d 图形引擎流程2 7 3 2 3 本课题在引擎中的接口实现3 7 3 3 本章小结3 7 第四章云层外观建模实现3 9 4 1 云层外观建模3 9 i v 目录 4 1 1 云层外观模型3 9 4 1 2 云层建模流程图4 0 4 1 3 云层粒子属性4 1 4 1 4 云层粒子的初始化4 2 4 2 云层动态模拟4 2 4 3 伪代码实现4 3 4 4 实验结果分析4 5 4 5 本章小结4 6 第五章云层光照渲染实现4 8 5 1 云层光照模型4 8 5 1 - 1 线性插值法简介4 9 5 1 2 云层光照渲染5 0 5 2 伪代码实现5 2 5 3 实验结果分析5 3 5 4 本章小结5 5 第六章本课题在s t u d i o 场景编辑器中的实现5 7 6 1 编辑器功能5 7 6 2 编辑器界面5 8 6 3 本课题在编辑器中的接口6 l 6 4 实验结果分析6 1 6 5 本章小结6 2 第七章工作总结和展望6 3 7 1 论文总结6 3 7 2 未来展望6 3 致谢6 5 参考文献6 6 v 第一章绪论 1 1 虚拟现实 第一章绪论 “虚拟现实 ( v i r t u a lr e a l i t y ) 一词是由美国喷气推动实验室( v p l ) 的创始人拉尼 尔( j a r o nl a n i e r ) 首先提出的。在克鲁格( m y r e nk r u e g e ) 7 0 年代中早期实验里，被称 为“人工现实”( a r t i f i c i a lr e a l i t y ) ；而在吉布森( w i l l i a mg i b s o n ) 1 9 8 4 年出版的科 幻小说n e u r e m a n c e r 里，又被称为“可控空间”( c y b e r s p a c e ) 。虚拟现实，也被人称 之为虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) 是由美国国家航空和航天局以及军事部门为模 拟而开发的一门高新技术，使用计算机图形产生器、位置跟踪器、多功能传感器 和控制器等设备有效地模拟现实环境场景，使观察者能够产生一种仿佛置身其中 的真实感觉。虚拟环境由硬件和软件组成，硬件主要包括以下三个部分：传感器 ( s e n s o r s ) 、印象器( e f f e c t e r ) 和连接传感器与印象器产生模拟物理环境的特殊硬件。 通常虚拟现实系统主要包括计算机系统、头盔、数据手套、六自由度鼠标、操纵 杆和传感器等装置。 虚拟现实是一门综合科学，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人 工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与 者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。简言之，虚拟现实利 用计算机实现可视化操作与交互，相比传统的人机界面交互和视窗交互操作，虚 拟现实在技术实现思想上上升了一个新的层次。 1 1 1 虚拟现实的特点 虚拟现实具有以下五个主要特征： ( 1 ) 沉浸性。 沉浸性使之所创造的虚拟环境能使学生产生“身临其境”感觉，使其相信在虚拟 环境中人也是确实存在的，而且在操作过程中它可以自始至终的发挥作用，就像 真正的客观世界一样。 ( 2 ) 交互性。 交互性是在虚拟环境中，学生如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的任务、 事物发生交互关系，其中学生是交互的主体，虚拟对象是交互的客体，主体和客 电子科技大学硕士学位论文 体之间的交互是全方位的。 ( 3 ) 构想性。 构想性是虚拟现实是要能启发人的创造性的活动，不仅要能使沉浸于此环境中 的学生获取新的指示，提高感性和理性认识，而且要能使学生产生新的构思。 ( 4 ) 动作性。 动作性是指学生能以客观世界的实际动作或以人类实际的方式来操作虚拟系 统，让学生感觉到他面对的是一个真实的环境。 ( 5 ) 自主性。 自主性是虚拟世界中物体可按各自的模型和规则自主运动。 1 1 2 虚拟现实的应用 ( 1 ) 虚拟现实在医学中的应用 虚拟现实在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建 立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、h m d 、感觉手套，学生可以很容易了解人体 内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。p i e p e r 及s a t a r a 等研 究者在9 0 年代初基于两个s g i 工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部 及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科 工具( 如手术刀、注射器、手术钳等) ，虚拟的人体模型与器官等。借助于h m d 及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进， 如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外 地专家的指导下工作等。另外，在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排， 手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新型药物的研 制等方面，虚拟现实都有十分重要的意义。 在医学院校，学生可在虚拟实验室中，进行“尸体”解剖和各种手术练习。用这 项技术，由于不受标本、场地等的限制，所以培训费用大大降低。一些用于医学 培训、实习和研究的虚拟现实系统，仿真程度非常高，其优越性和效果是不可估 量和不可比拟的。例如，导管插入动脉的模拟器，可以使学生反复实践导管插入 动脉时的操作；眼睛手术模拟器，根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像，并 带有实时的触觉反馈，学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程，并观察到 眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等。还有麻醉虚拟现实系 统、口腔手术模拟器等。 2 第一章绪论 外科医生在真正动手术之前，通过虚拟现实技术的帮助，能在显示器上重复 地模拟手术，移动人体内的器官，寻找最佳手术方案并提高熟练度。另外，在远 距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测 及改善残疾人生活状况，乃至新药研制等方面，虚拟现实技术都能发挥十分重要 的作用。 ( 2 ) 虚拟现实在军事模拟中的作用 基于虚拟现实技术的虚拟军事演习系统可以任意增加联合演习的次数。这样便 于作战方案与理论的研究。传统的实兵演习周期长、耗费大，如果借助虚拟军事 演习系统进行训练，就可以较小的代价、较短的时间实施大规模战区、战略级演 习，并可通过多次演习或一次演习多种方案，发现、解决实战中可能出现的问题。 进行指挥员训练利用虚拟现实技术，根据侦察情况资料合成出战场全景图，让受 训指挥员通过传感装置观察双方兵力部署和战场情况，以便判断敌情，定下正确 决心。例如美国海军开发的“虚拟舰艇作战指挥中心”就能逼真地模拟与真的舰艇作 战指挥中心几乎完全相似的环境，生动的视觉、听觉和触觉效果，使受训军官沉 浸于“真实的”战场之中。虚拟现实技术可以使相距几千公里的士兵与作战指挥人员 在网络上进行对抗作战演习和训练，效果如同在真实的战场上一样。 ( 3 ) 虚拟现实在游戏中的应用 虚拟现实的一个重要应用领域就是3 d 游戏，游戏制作技术在最近这些年里可 以说是突飞猛进，从最初的文字m u d 游戏，到2 d 时代的二维游戏和3 d 时代的 三维游戏。游戏在保持实时性和交互性等游戏性的同时，游戏画面效果在不断的 提升，真实感越来越高，特别是自然场景在游戏中的再现。例如，2 d 时代的游戏 里，游戏中的场景只包含简单的几大元素：角色、动画和障碍物，这种场景极其 简单，即使有一些自然界物体的表现，也只是敷衍表现一二。3 d 时代的游戏中对 这些自然现象的表现则较为丰富，这一切都源自于虚拟现实的重要应用。虽然在 现阶段应用中还存在诸多技术难关有待突破，但虚拟现实在游戏领域的应用趋势 已经越来越得到加强。因此，可以这么说，自从计算机游戏诞生以来，一直都在 向着虚拟现实领域发展，有理由相信，在不远的将来，随着虚拟现实相关关键技 术的不断发展，使之不再成为应用于游戏制作领域的瓶颈，真正的具有真实感和 沉浸感的虚拟现实游戏必将引领一个崭新的游戏时代。比如，云层作为场景中自 然现象组成的一个主要因素出现于3 d 时代的游戏画面中，也经历了几个过程：2 d 时代的游戏中一般不表现云层特性；进入了3 d 时代后，最常见的是利用天空盒技 术绘制云层，把云层纹理图片直接贴图到事先绘制好的多边形上，表现云层3 d 效 3 电子科技大学硕士学位论文 果，其实这种绘制方法并不算是真正的3 d 绘制技术，只是借助于2 d 纹理图像表 现3 d 效果。随着游戏技术的日渐成熟，在游戏画面中表现出具有沉浸感的真正的 3 d 体积云层效果已迫在眉睫。 综上所述，虚拟现实是近年来发展起来的新技术，交叉和集成了多门学科的 知识。所以，它的发展将受到相关学科的关键技术所制约。虚拟现实所研究的主 要内容是在计算机中重现现实环境场景，并且要求场景的实时性和真实性。但一 般来说，实时性与真实性往往是相互矛盾的，如何根据不同的场景类型恰当地缓 解这个矛盾已成为虚拟现实研究的现实问题。 1 2 章节安排 第一章绪论，主要介绍了虚拟现实技术的基本概念、特点以及相关应用领域。 第二章第一节列举了前人在云层建模和渲染技术方面所作的研究工作，分析 并比较国内外相关技术发展状况及各种算法的优缺点。第二节介绍了课题采用的 关键技术，首先是粒子系统的概念、发展历史和基本原理；其次通过分析比较两 种纹理映射方法的数学原理，充分证明了本论文引用3 d 纹理映射的优势。第三节 主要阐述了加速场景绘制的两个关键技术协p o s t o r 技术和l o d 技术，用于提 高整个场景的实时性。 第三章首先提出课题研究背景，在此基础上给出体积云的定义。其次重点阐 述了课题项目背景，包括s t u d i o 场景编辑系统和r o m a n s 3 d 图形引擎。详细分析 了r o m a n s 3 d 图形引擎的流程步骤，并给出了本课题在引擎中的接口实现。 第四章课题算法详细设计，本章第一节通过分析了基于3 d 纹理映射的粒子 系统填充网格的云层建模基本思想和流程图，分别详细讨论了近距离体积云和远 距离层云建模的具体实现方法。第二节借助于调节球形粒子的透明度，实现了动 态云的简单模拟，并且分析了实验结果。 第五章针对自然界中两种不同类型的光照效果，详细叙述了云层的光照渲染 算法思想，结合算法公式给出了光照算法的伪代码实现。最后对实验结果进行了 分析比较。 第六章描述了课题来源s t u d i o 场景编辑器的系统设计，着重讨论了其功能和 界面设计，最后给出了本课题在编辑器中的接口实现类图。 第七章工作总结和未来展望，指出本论文所做的工作和缺憾，预测未来需要 解决的问题。 4 第一章绪论 1 3 本章小结 本章是绪论，详细介绍了虚拟现实技术的概念、研究领域、发展历史和应用领 域，这些基础知识是是大规模云层模拟算法的理论来源。最后，给出本论文后续 章节安排。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 相关理论分析 2 1 1 云层建模方法分析 第二章相关工作 云层是一种极其复杂的自然现象，研究如何在计算机中模拟户外的云层自然现 象，其主要研究目标是寻求能准确地描述客观世界中云的自然现象的数学模型， 并且逼真地再现这些现象。前人提出过一些云层建模算法，比较典型的有： ( 1 ) 1 9 7 5 年美国学者曼德勃罗特( m a n d e l br o t ) 首次提出分形概念【l 】，从数 学上来说，分形是一种形式，它从一个对象开始，这个对象可以是点、线段和三 角形，重复地应用一个规则连续不断的改变直到无穷为止。我们所生活的复杂现 实世界里存在很多外形不规则的事物，这些事物不能够用传统欧氏几何学描述， 传统欧氏几何学总是把研究的对象视作规则物体，因此，分形给我们描述自然界 的不规则复杂事物提供了一种新方法。云层在自然界中是无固定形态的，可以采 用分形方法进行云层的建模。首先定义云层的基本形状，然后计算云层的光照效 果，最后将该形状表现为云团。 优点：采用分形的云层建模方法首先描述云层的粗略外形，然后利用随机方法 结合光照模型把云层表现出来，因此适合绘制精细的静态云层。 缺点：不适合于绘制云的动态特效。 ( 2 ) 基于文法的模型。基本思想是：从一个特殊的初始符合出发，不断的应用 一些产生式规则，从而生成出一个字串的集合。产生式规则指定了某些符号组合 如何被另外一些符号组合替换。允许用几个参数来定义自然界复杂的事物。 y o s h i n o r id o b a s h i 等人在1 9 9 8 年利用文法的基本原理提出云层建模的元胞自动机 模型，较好的模拟了真实感云层的无规则运动效果【2 】。元胞自动机模型的算法思想 是：把仿真空间划分为一系列三维网格，并且在每一个网格点设置三个状态变量 c l d ，h u m 和a c t ，分别表示云形态、水蒸汽形态和从水蒸汽到云的变化状态：设置 每个状态变量的值只能取1 或0 。云层形成和消散状态改变通过状态变量的转换规 则来模拟。转换规则使用布尔运算来实现，运算量比较少。 优点：基于文法的云层建模方法原理简单，能够较好的模拟云层的随机变化效 6 第二章相关工作 果，适合于绘制动态云层。 缺点：由于自然界中云层形状变化不具有连续性，限制了渲染云层的真实感。 同时，由于组合规则多变，导致运算速度达不到让人满意的水平。 ( 3 ) 1 9 8 3 年，r e e v e s 提出了的粒子系统方法【3 】。粒子系统可以用来很好的模拟 不规则物体的形状特征，并且能够模拟出由微小颗粒组成的不规则模糊状物体， 如，云层、烟雾等。使用粒子系统进行云层的外观建模可以体现出云层的动态运 动和随机变化等特征，从而能够在计算机中生成真实感较强的云层。 粒子系统模拟自然界中不规则模糊物体方法采用生成许多形状简单的微小粒 子。生成的这些粒子具有生命周期、初始运动方向、初始大小、初始颜色、初始 透明度、初始形状等随机属性。同时，粒子系统采用随机方法控制粒子的数目， 并在粒子的生命周期内随机改变这些属性。在计算机中使用粒子系统模拟的不规 则景物画面能够达到令人满意的效果，而且十分简便。 优点：使用粒子系统描述不规则模糊状物体代码量少，使用简单方便，而且内 存使用率较低。 缺点：系统中粒子运动没有固定规律，难以描述。在计算粒子属性的时候，当 物体比较复杂、粒子数目较多的情况下就需要很大的运算量，导致绘制效率低下， 达不到实时性绘制的要求。 ( 4 ) m e t a b a l l 技术用于云层的建模。1 9 8 2 年，b l i n n 提出了的一种适用于建立可 变形表面的技术，被称为m e t a b a l l 技术。基本思想是采用不同密度的离散m e t a b a u 叠加来描述云层的基本形状。此技术利用m e t a b a l l 建立能量场，然后通过标量域 的等势面来建立3 d 模型来表现软体或者隐式曲面。简单的说，就是在空间里布置 一些m e t a b a l l ，每个m e t a b a l l 都有一个能量场，通常用势函数来表示。设空间里均 布着无数个点。在其中某一点，它的能量为每个m e t a b a l l 对它的势的叠加。然后 在空间的所有点找出势能相同的点，就得到一个由这些点组成的曲面。至于势函 数的选择就很多了，有指数函数，分段多项式函数等等。有兴趣的话可以找找相 关的论文。下图是一个m e t a b a u 的例子( 采用了两个m e t a b a u ，可以看出两个球靠 近时，靠近部分因势函数的叠加而发生融合) 。典型工作有：n i s h i t a 等人【4 】在1 9 9 6 年使用m e t a b a l l 模拟云层的基本形状，然后在这些m e t a b a l l 的表面上再生成一些 新的m e t a b a l l 来添加细节。d o b a s h i 等人【5 】在19 9 8 年用离散化的m e t a b a l l 模拟卫 星拍摄的云层图像，取得了较好的效果。 优点：该方法可以绘制出云层的静态精细的图像。 缺点：但不易于绘制大规模场景中云层的动态图像。 7 电子科技大学硕士学位论文 一 图2 1m e t a b a l l 演不 ( 5 ) 基于噪声模型( p r o c e d u r a ln o i s e ) 的云层建模方法。噪声模型在绘制云层过程 中，采用噪声为基础，通过对噪声的不同操作，能够生成随机且连续的密度数据 来填充云体。p e r l i nn o i s e 主要目标是生成一个比较平滑的随机数，如果是纹理图， 那么u ，v 方向的各个纹素应该较为平滑，不能太过剧烈的变化。p e r l i n 首先提出基 于噪声的模型，随后e b e r t 等人【6 】【7 】【8 】利用这个方法计算生成了烟、水蒸气、云层 的真实感图像。此外，s c h p o k 等人【9 】在e b e r t 研究的基础上使用可编程的g p u 绘 制出了效率更高、真实感更强的三维云层效果。 优点：基于噪声的方法使用简便，且效率较高。 缺点：不利于大规模场景中云层的绘制。 ( 6 ) 基于网格的描述方法进行云层的建模。此方法结合视点相关的多层次细节 模型描述云层的体数据，针对不同细节等级的云层效果，调节网格的疏密、大小 和组合规则，可以绘制出各种形态的云层图像。此方法一般应用于地形的绘制， r o e t t g e r 等人【l o 】采用该方法模拟云层，采用八叉树算法描述不同细节等级的体数 据，结合体绘制方法绘制云层。利用这个算法能够实现较大规模三维云层的绘制， 还可以绘制各种天气条件。 优点：能够有效地模拟出大规模云层效果，绘制的云层范围较体素法、m e t a b a l l 方法大，且适合绘制各种不同形状的云层。 缺点：不能够很好的模拟出云层的动态变化效果。 ( 7 ) 基于体绘制的云层建模方法是一种过程建模方法，体绘制的原理是采用某 种方法对自然现象进行定义。对体自然现象进行描述需要先定义几个参数：点的 空间位置参数、时间参数和被建模对象，最后可以计算出该空间位置对象的密度 和颜色。自2 0 世纪8 0 年代科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 被提出后，三维体数据的可视化逐渐称为发展的重点，并最终形成了体绘制技术 领域。体绘青0 的核心在于“展示体细节! 而不是表面细节”。我给出的定义是： 依据三维体数据，将所有体细节同时展现在二维图片上的技术，称之为体绘制技 术。利用体绘制技术，可以在一幅图像中显示多种物质的综合分布情况，并且可 以通过不透明度的控制，反应等值面的情况。目前在研究绘制真实感云层的时候， 第二章相关工作 应用了很多体绘制的原理，体素就是其中一种典型的方法，它是基于物理过程的。 k a j i y a 等人【1 2 】在19 8 4 年利用体素法结合光线跟踪算法成功生成了一种基于物理过 程的简单的云层，取得了较好的真实感效果；d o b a s h i 等人【1 3 】在体素网格上应用细 胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a ) 算法对云层进行模拟，结合s p l a t t i n g 样条算法进行绘 制，绘制出了较好的动态云层效果：o w b y 【1 4 】在2 0 0 2 年在体素网格上应用一种求 解偏微分的数学方法成功绘制出了云层；h a r r i s 1 5 】也在2 0 0 3 年采用体素模型绘制出 了动态云效果。 优点：基于体绘制的方法能够绘制出真实感较强的动态云层。 缺点：因为采用体绘制对计算量要求较大，当绘制的云层范围较广时，场景效 率极其低下。 本论文在分析和比较上述云层模拟算法后，针对每一类方法的优点和不足，力 求寻找一种平衡绘制速度和真实感的大规模云层模拟的新思路。本论文同时兼顾 大规模云层的绘制效率和真实感程度，把算法的优点进行结合，在这个基础上进 行创新，实验表明在项目应用中是一种可行的策略。 针对传统粒子系统绘制技术绘制大规模云层场景需要大量纹理数据，而且采用 2 d 粒子面片带来的视觉上失真的不足，导致云层模拟实时性较差，具有明显的人 工痕迹，真实感不佳。提出采用基于3 d 纹理几何图形的粒子系统绘制技术和基于 视点的多层次细节模型相结合的方法对场景中实时性大规模云层进行建模，把整 个场景中的云层分为精细度高的近视点体积云建模和精细度较低的远视点层云的 建模，能够在一定程度上保证整个场景的效率。下面分别介绍： ( 1 ) 高细节度体积云外观建模 高细节度云层特指体积云的建模，体积云在场景中有自己的体积，是真实的存 在，而非简单的贴图，进入其中有明显的层次感。本课题在体积云的建模中仍旧 采用粒子系统建模方法，因为粒子系统可以实时的显示云层的动态特征，而且能 够生成逼真度较高的体积云效果。但摒弃了传统由2 d 纹理构成的粒子方法，采用 基于3 d 纹理的粒子系统来构建体积云，在视觉上能够达到让人信服的云层外观， 图2 2 展示了在飞行模拟类游戏中的体积云效果。 ( 2 ) 低细节度层云形状建模 在天气系统中，远距离低细节的层云一般与天空一起被称为云天背景，真实感 要求相比近距离的高细节度的体积云相对较低，因为观测这类云层时，视点通常 在地面上，视点不会在天空中漫游，不需要达到视点穿越云层的效果。于是，我 们可以采用过程化建模的基于纹理映射的方法来进行绘制，采用布告板技术，将 9 电子科技大学硕士学位论文 云层纹理映射到布告板上来生成云，模拟层云的形状、运动效果等。同时结合h a r r i s 等人的思想，引入i m p o s t o r 用于云层的渲染，就是用预先做好的几幅位图来代替 3 d 物体，提高了渲染的速度。虽然这种方法只生成逼真的二维云场景，但对于整 个天气系统来说，这种处理远距离层云的方法提高了整个天气系统的效率，图2 3 所示为层云效果图。 图2 - 2 c r y s i s ) ) 中的近距离体积云效果 图2 3 ( ( s i m u lw e a t h e rd e m o ) ) 中的层云效果 1 0 第一二章相关工作 2 1 2 云层渲染方法分析 众所周知，自然界中的云层不仅形状千变万化、无固定规则可循，而且具有色 彩，是因为云层中存在十分复杂的光线反射、折射和散射。在现实世界中，云层 的颜色是源于太阳光的直射和环境光的反射所共同影响的，要真实地描述云层的 颜色效果，需要的计算量相当复杂。b l i n n 1 6 】在研究光照对云层的影响时，针对光 的反射和散射特性，于1 9 8 2 年第一次提出了光与构成云层的粒子相互作用的简单 模型，这个模型只适用于低散射率的媒质，并指出光线经过散射率较低的媒质时 发生的是单次散射( s i n g l es c a t t e r i n g ) ；而自然界中的云层并不是简单的低散射率媒 质，光粒子通过云层时，与之发生的是多重散射( m u l t i p l es c a t t e r i n g ) ，是一个十分 复杂的过程，计算多重散射需要很大的计算量。为了提高运算速度，在实现过程 中通常要简化模型。 1 单重散射模型多重散射模型 图2 4 单重散射与多重散射原理对照图 云层建模技术在计算机中只能生成没有色彩的云层，缺乏真实感，因此，有必 要对云层的光照效果进行研究。目前，云层的渲染方法主要有以下几种： ( 1 ) 有限元方法。有限元法也叫有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，是 随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。有 限元法就是一种计算机模拟技术，使人们能够在计算机上用软件模拟一个工程问 题的发生过程而无需把东西真的做出来。有限元法最初的思想是把一个大的结构 划分为有限个称为单元的小区域，在每一个小区域里，假定结构的变形和应力都 是简单的，小区域内的变形和应力都容易通过计算机求解出来，进而可以获得整 个结构的变形和应力。事实上，当划分的区域足够小，每个区域内的变形和应力 总是趋于简单，计算的结果也就越接近真实情况。理论上可以证明，当单元数目 足够多时，有限单元