（计算机应用技术专业论文）飞行模拟器视景仿真中气候现象的模拟.pdf

中国民航大学硕士学位论文 摘要 本文在中国民用航空总局科技基金项目“飞行模拟器视景系统的研制”前期飞行 控制模拟研究的基础上研究视景系统中气候仿真，着重完成降雨、降雪、闪电和立体云 团的模拟。 气候现象模拟是飞行视景仿真中不可缺少的部分，它的真实度直接关系到系统的 整体效果而气候模拟真实度的提高必将造成仿真系统实时性的下降，因此，本文在维 持系统实时性的基础上，以适应飞行仿真视景系统为目的，提出以下气候现象的模拟方 法 降雪和积雪。本文在分析已有的降雪和积雪模拟方法的基础上，提出了一种大场景 环境下降雪和积雪模拟的新方法本文将降雪和积雪过程看成雪景模拟的两个阶段，分 别用不同的方法进行模拟。在降雪方面，引入粒子的旋转，粒子动态纹理和动态颜色等， 提高了降雪模拟的真实性和灵活性；在积雪方面，引入噪声技术，解决了已有积雪模拟 方法不能用于大场景模拟的问题。实验表明：本文提出的降雪积雪模拟方法模拟效果真 实，实时性良好，适合大场景尤其是飞行模拟系统中。 降雨模拟降雨模拟是在降雪模拟基础上完成的，也是采用粒子系统技术，为了 提高模拟效果，采用了漏斗模型，同时简化粒子结构提高渲染速度。 闪电模拟。一方面通过对v e g a 软件环境中特效模块的分析，得出了v e g a 系统自 身难以实现随机闪电模拟的结论，然后根据v e g a 与o p e n g l 之间的联系，论证了通过 o p e n 6 l 在v e g a 中实现随机闪电模拟的可行性；另一方面，将纹理映射技术与传统闪电 渲染方法相结合，得到一个更高速的闪电渲染方法，并将此方法成功应用到v e g a 系统 中 立体云团模拟。云团模拟是本文的一个难点，使用粒子建模技术完成云团的动态 生成，在渲染上成功实现i m p o s t o r 快速渲染算法，但由于与v e g a 的兼容问题，最后提 出减粒子算法。 实验表明，本文实现的气候现象模拟效果真实，而且能够满足民航飞行模拟器实 时性要求。同时，闪电和立体云团模拟成功引用到v e g a 环境下，扩展了v e g a 的特效模 块。本文的实验虽然都是建立在v e g a 平台上的，但涉及的模拟算法的思路可以应用到 其它渲染平台上 关键字：飞行模拟：视景仿真；降雪；降雨；闪电；云团 中国民航大学硕士学位论文 a b s t r a c t w e a t h e rs i m u l a t i o ns u c ha sr a i n i n g ，s n o w i n g ，l i g h t n i n g , a n d3 dc l o u d si ss t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o nb a s e do nf o r m e rr e s e a r c ho nf l i g h tv i e ws i m u l a t i o n w e a t h e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sa ni n d i s p e n s a b l ep a r to ft h ef l i g h tv i e ws i m u l a t i o n , a n di t sr e a l i t ym a k e sad i r e c ti n f l u e n c eo v e r a l le f f e c to ft h es y s t e m t h ee n h a n c e m e n to ft h e r e a l i t yw i l l r e s u l t i nt h ed e c l i n eo fs y s t e mr e a l - t i m e t h e r e f o r e ，i no r d e rt ol ( e e pt h es y s t e m r e a l - t i m ea n da d a p tt of l i g h tv i e ws i m u l a t i o n , t h em e t h o d so f w e a t h e rs i m u l a t i o na r ep r o p o s e d a sf o l l o w s s n o wf a l l i n ga n da c c u m u l a t i n g b a s e do na n a l y s i so ft r a d i t i o n a ls i m u l a t i o nm e t h o d s , t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t san e wa p p r o a c hf o rs i m u l a t i o no fs n o wf a l l i n ga n da c c u m u l a t i n gf o r l a r g e s c a l e g ? , c n e a c c o r d i n gt ot h en a t u r e , s n o ws i m u l a t i o ni sd i v i d e di n t ot w os t a g e s f a l l i n ga n da c c u m u h t i n ga n dd i f f e r e n ts i m u l a t i o nm e t h o d sa r cu s e d r o m t i o i l d y n a m i c t e x t u r e , a n dd y n a m i cc o l o ro fp a r t i c l e sa r et a k e ni n t oa c c o u n ti nt h ef o r m e rs t a g e ，w h i c h g r e a t l yi m p r o v e sr e a l i t yo fs i m u l a t i o n i m a g en o i s ei s i n t r o d u c e di nt h el a t e rs t a g e , w h i c h s o l u t e st h ep r o b l e mt h a tt h et r a d i t i o n a lm e t h o d sc a n n o tb eu s e di nt h el a r g e - s c a l es c e n e r a i n i n gs i m u l a t i o n i ti si m p l e m e n t e db a s e do ns n o w i n gs i m u l a t i o n , w h i c ha d o p t st h e t e c h n o l o g yo fp a r t i c l es y s t e m i no r d e rt oi m p r o v ev i s u a le f f e c t , f u n n e lm o d e li si m p o r t e d a n dt h es i m p l i f i e dp a r t i c l ec o n s t r u c t i o ni su s e dt oi m p r e v er e n d e r i n gs p e e d l i g h t n i n g o no n es i d e ，t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sa na n a l y s i so nt h em o d e lo fs p e c i a l e f f e c t si nv c g as o f t w a r ee n v i r o n m e n t b a s e do nt h ea n a l y s i s ，w em a k eac o n c l u s i o nt h a ti ti s d i f f i c u l tt os i m u l a t el i g h t n i n gi nv e g a a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o nb e t w c c nv e g aa n do p a n g l ， w ef i n di ti sv i a b l et os i m u l a t el i g h t n i n gi nv c g ab yu s i n go p e n g l o nt h eo t h e rs i d e ，b y i n t r o d u c i n gt h et e c h n o l o g yo ft e x t u r em a p p i n gi n t ol i g h t n i n gr e n d e r i n g , ah i g h - s p e e d r e n d e r i n gm e t h o di sp r o p o s e da n di m p l e m e n t e d i nv c g a 3 dc l o u d s i ti so n eo ft h ed i f f i c u l t i e s t h ed y n a m i cg e n e r a t i o no ft h ec l o u d si s i m p l e m e n t e db yp a r t i c l em o d e l i n gt e c h n o l o g ya n di t sr e n d e r i n gi s f i n i s h e db yi m p o s t o r a l g o r i t h m h o w e v e r , r e d u c i n gp a r t i c l ea l g o r i t h mi si n t r o d u c e db e c a u s eo ft h ec o m p a t i b i l i t y w i t hv e g a e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ea b o v em e t h o d sd ow e l li nw e a t h e rs i m u l a t i o na n d m e e tt h er e a l - t i m er e q u i r e m e n to ft h ef l i g h ts i m u l a t i o n m e a n w h i l e ，l i g h t n i n ga n d3 dc l o u d s s i m u l a t i o n sa r ca c h i e v e du n d e rv e g ae n v i r o n m e n ta n de x t e n dt h ef u n c t i o no fs p e c i a le f f e c t s i l lv b g a a l t h o u g ha l lt h ee x p e r i m e n t sa r cm a d ei nv e g a , t h er e l a t e dt h i n k i n gc a nb ea p p l i e dt o o t h e rp l a t f o r m s k e y w o r d s ：f l i g h ts i m u l a t i o n ；v i s u a ls i m u l a t i o n ；s n o w i n g ；r a i n i n g ；l i g h t n i n g ；c l o u d s 中国民航大学硕士学位论文 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所 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， 也不包含为获得中国民航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了谢意。 研究生签名： 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全 部或部分内容论文的公布( 包括刊登) 授权中国民航大学研究生部办理。 研究生签名：益暨蕴 导师签名： 中国民航大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本课题来源于中国民用航空总局科技基金项目“飞行模拟器视景系统的研制” 本文研究的主要内容是在飞行模拟器的视景仿真中，实现对降雨、降雪和闪电等 气候现象以及立体云团的实时模拟。 随着国民经济的迅速发展，越来越多的人们选择快速，方便，舒适的航空运输作 为出行方式有了需求就有了市场，航空运输因为自身的众多优势必将持续地，快速地 发展。市场的扩大必将会有更多的飞机投入运营，中航一集团出版的2 0 0 1 - 2 0 2 0 年民 用飞机中国市场预测年报显示，未来2 0 年内，中国民航需要补充各型民用客机1 6 9 0 架，其中大型喷气客机i “9 架，支线客机5 7 1 架。驾驶飞机需要飞行员，而训练飞行 员首选的设备就属飞行模拟器了 飞行模拟器脚作为航空仿真领域的高端产品，是综合了视景仿真，机电控制等技 术的产物，在当今的民用和军用飞行员的训练方面起着不可代替的重要作用，目前0 1 在 世界范围内除了美国、加拿大、法国和俄罗斯可以研究外，我国已经有能力研究军用的 飞行模拟器，而民用飞行模拟器的研究却刚刚起步。运用飞行模拟器进行训练，既经济， 又安全，而且不受天气、机场等条件限制。但是目前我国在民用飞行模拟器上的研究却 发展缓慢，严重依赖于进口而从国外进口一台全任务飞行模拟器的价格要在一千万美 元以上，同时维护费用也相当昂贵。因此，发展国产先进的民用飞行模拟器可以极大的 节省进口费用可以预见，开发飞行模拟器将是一项非常有意义，有前景的工作。 视景仿真是计算机技术、图形处理与图像生成技术、立体影像和音响技术、信息 合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用“在我国，视景仿真技术已经广泛应 用到各个研究领域：军事演练，城市规划仿真，大型工程仿真，飞行模拟以及驾驶模拟 “，等等，尤其是飞行模拟。视景仿真系统作为飞行模拟器的最重要组成部分，其实时性 和逼真度都要求非常高 气候模拟”“”是虚拟现实技术、计算机图形学和系统仿真中具有挑战性的研究方向 之一。在视景仿真、计算机游戏、影视制作、广告制作、国防科技、气象工程以及旅游 等方面均有着广泛的应用虚拟现实叫“1 实现的目标就是使用户沉浸其中，这样就要 提高场景建模的真实度，还要提高渲染速度，这两个方面是相互抵触的，图像品质的提 高，必然影响渲染速度“。因此为了提高沉浸性，往往都是改善硬件、优化软件和增加 资金投入我国是个发展中国家，在计算机硬件、软件、人才、资金等方面都有限制， 气候模拟的研究要比国外起步较晚，发展速度也比较慢，虽然这几年进步很大，但还有 很大差距。虽然国外发展比较快，而且在某些方面比较成熟，可是它的应用一般也都比 较简单，都是局限小场景的。虽然技术成熟，可是在大型场景尤其像飞行模拟这方面还 中国民航大学硕士学位论文 是很受限制“。 气候现象模拟是飞行视景仿真中不可缺少的部分。涉及飞行模拟器的目的就是为 了更好的完成飞行员的训练，使得飞行员能够在正式进入飞行前充分掌握飞行的技巧， 掌握应付各种突发事件的本领，这样在进入真正飞行的时候，才能够减小事故发生的概 率、人员和资源的损伤。而复杂的气候现象是影响飞行的最大因素，如果飞行模拟中没 有恶劣的气候，它训练的飞行员怎么可能上天呢。现在气候模拟已经应用到各种训练中， 比如汽车的驾驶训练，海军的航海训练等等。 飞行模拟中气候现象模拟的真实度直接关系到系统的整体效果。视景系统是飞行 模拟中最重要的部分，它制造声音和图像，使得飞行员有身临其境的感觉。飞行员在模 拟过程中7 0 以上都看到的是云团等气候现象，因此，气候现象模拟的真实度将直接 影响到飞行员的判断力，影响整个系统的成败。 1 2 气候现象模拟的国内外研究现状 在虚拟环境的绘制中，如果能够实时模拟各类气象景象，比如云彩，雨雪、烟雾、 海浪，场景将会变得十分逼真和生动。然而，用计算机对自然界的物理现象和自然规律 进行模拟，一直是计算机图形学中最有挑战性的研究方向之一”因为气象自然景象的 形状具有不规则性、复杂性及随意性，它们的产生要满足一定的条件，在运动过程中还 要受到多种外力的作用，且毫无规律可循。用通常的基于几何模型的计算机图形描述语 言来生成其图像已很难达到真实感的要求因此，人们超越了几何模型的限制，提出了 不规则物体的高级建模技术，比如随机模型、过程模型“”、分形模型“h “、基于文法的 模型、粒子系统n 一及基于物理的建模技术等等，模拟出了随机而逼真的气象自然景象。 气象景象有静态景象和动态景象。静态景象的模拟，重点是表现景物的精细结构， 展现其丰富的细节，追求的是外形真实感视觉效果。而动态景象的模拟，不仅要生成具 有较强真实感的立体图像，而且要能产生在时间上相关的图像序列，能够展现景物的动 态特征。本文涉及的几种气候现象都属于动态景物模拟 计算机硬件发展严重影响了气候模拟的进度。由于气候现象都属于动态景物模拟， 它对仿真实时性要求非常高，纯粹的算法优化并不能从根本上提高仿真实时性。随着近 年来计算机速度的提高，气候模拟得到迅速发展。 ( 1 ) 雪模拟。雪模拟可以细分为两个阶段：降雪和积雪，因此，关于雪模拟，研究者 的侧重也有所不同。 在降雪方面主要都是采用粒子系统。 1 9 9 9 年谢剑斌“7 1 用简单的随机函数动态控制雪花粒子的运动，同时引入视觉感知心 理学，这一切都是为了简化模型，提高实时性在当时计算机硬件相对落后的情况下， 这个算法也达到非常好的效果。 2 中国民航大学硕士学位论文 2 0 0 3 年王润杰“”对雪花粒子的形状进行了改进，对雪花粒子的寿命进行跟精确的控 制，从一定程度上提高了模拟的真实度和渲染速度。 在积雪方面国外发展比较迅速。 2 0 0 0 年p a u l “”严格按照积雪自然形成的过程进行模拟。首先，根据降雪计算雪层的 厚度。其次，对降落到地面雪花进行稳定性判断，不稳定的雪花，继续控制它移动，直 到稳定。这个算法产生的积雪效果非常细致，积雪非常有层次。但是，这个算法渲染速 度非常慢，不适合实时性要求高的降雪场景模拟。 2 0 0 2 年h a g l u n d 把整个物体表面分成网格，落在网格内部雪粒子的数量代表这个 网格中积雪的厚度。这个技术的难点就是对网格的划分，网格的划分必须根据物体的形 态分布，因此这个工作必须在建模型的时候完成，而且网格划分必须非常随机，太规则 了，积雪就不够真实。 2 0 0 5 年t b m o e s l u n d 1 不但提出了如何根据物理条件真实的建立雪粒子模型，而 且提出了一种计算积雪的方法首先，在物体表面设计粗网格，然后随着降雪的过程， 计算落入每一个网格内部粒子的数量，然后对网格进行动态调整，使得粒子数量比较多 的地方的网格相对比较密集，形成细网格，粒子数量少的地方，网格之间相互合并，形 成粗网格这个方法的模拟效果也非常的好，可是他要对网格进行动态调整，影响系统 的实现速度。 闪电模拟 1 9 9 4 年t r e e d 2 第一次比较系统地提出了用粒子系统实现了计算机图形学中闪电 模拟具体方法：在云中放一个粒子，然后这个粒子随机产生几个子粒子，子粒子随机 地产生向下的角度，向下运动，子粒子又随机的产生新粒子，这样就产生了整个闪 电整体。在渲染方面，他采用光线跟踪技术，不过仅仅只渲染了闪电主枝。由于当时技 术的限制，他的闪电模拟做地比较粗糙，只追求模拟闪电的样子 1 9 9 9 年p k r u s z e w s k i m 在随机二叉树的理论基础上，提出了一个可以改变参数的闪 电模型。只要设定好模型的多个参数，就可以产生出令人满意的闪电样子。在渲染上， 他还是采用t r e e d 模型中的方法 2 0 0 1 年b s o s o r b a r a m m l 强调使用物理的参数，这样产生的闪电才更加真实。而且 在他文章中也实现了闪电对周围云彩的光照效果。 ( 3 ) 云团模拟 g e o f f r e y 早在1 9 8 5 年的时候就系统提出了云团模拟方法”1 。他将云细分为：远景云、 近景云团和水平云。针对不同的云采用不同的模拟方法，以提高实时性：远景云，由于 距离比较远，立体性要求不高，所以采用平面模型：近景云，是近视觉范围内，对于立 体型要求非常高，要突出云团的形状，所以采用椭球体模型；水平云，对于单个云团立 体性要求不高，但对于整体云层立体性要求高，所以采用大的椭球体模型来模拟整个云 层。那时候计算机技术还相当落后，对云的模拟谈不上实时性，当时他做实验时，较大 场景模拟都需要数十分钟才能出来效果。因此，实时性以及立体性要求比较高的云模拟 3 中国民航大学硕士学位论文 技术也是近几年发展比较快。g e o f f r e y 当时模拟的云是静态的，属于云层的纹理技术模 拟。 d o b a s h i 2 0 0 0 年提出一种简单高效的动画云实现方法“1 ，他将云团划分成较小的云 粒子，每个云粒子都是小圆面，然后这些粒子围在一起，但又按照一定的轨迹相对实时 运动，形成形状变化的云团。这种方法产生的云层比较细腻，计算量非常大。在一般的 云模拟要求中，我们一般只考虑云的多样性，不规则性，而d o b a s h i 太侧重云团的实时 变化 p e l i n a 在g e o f f r e y 的基础上也提出了一种方法。p e l i n a s 的方法也是基于粒子系 统思想的，他用g e o f f r e y 的方法中模拟云团的椭球体来充当粒子，让g e o f f r e y 方法中的 云团动了起来。这种方法适用于近景云团的模拟，立体效果非常好。 本文侧重的是针对大场景设计气候模拟。以上研究成果都在很大程度上提高了模 拟的真实度以及实时性，但还不能满足飞行仿真视景系统如此大场景对实时性的要求， 更不能直接应用到我们的v e g a 平台上 1 3 本文的主要研究内容及其组织 本文研究的主要内容是在飞行模拟器的视景仿真中，实现对降雨、降雪和闪电等 气候现象以及立体云团的实时模拟。 在降雨、降雪仿真方面，文中在前人的基础上，首先对雨、雪粒子的受力进行了 细化，对各种外界因素多方面考虑，尤其是风速。其次，对粒子的纹理和模型也进行改 进，不同大小的粒子采用不同精细层次的纹理，粒子的模型都采用3 d 模型，粒子运动也 考虑到粒子的旋转最后，单个粒子的色彩，采用融合技术，使得雨、雪的颜色随着环 境色彩的变化而变化 在闪电仿真方面，对于闪电形状进一步优化，同时，闪电的纹理也采用实时生成 技术，闪电纹理生成过程就和整个闪电形状生成过程一样，即闪电分支的纹理也就是一 个小规模闪电，这样就在不降低闪电真实度的基础上提高了闪电仿真实时性 在立体云团仿真方面，建模方面：云团采用粒子系统技术，即单个云团都是大量 静态粒子累积在一起构成的，每个粒子，我们称之为云片，尺寸都在l m * l m 以上，而且 贴有实时生成的透明纹理，云片采用b i l l b o a r d 技术；在渲染方面：采用i m p o s t o r 技术， 具体就是设定两个距离：n e a r 和f a r ( f a r 大于n e a r ) ，这两个距离根据云团离视点的距 离将空间划分为3 个部分( 小于n e a r ，在n e a r 和f a r 之问。大于f a r ) ，当云团离视点距离 大于f a r 的时候，云团采用i m p o s t o r 渲染，当小于n e a r 时，云团直接采用3 d 模型显示， 在n e a r 和f a r 之间时，采用i m p o s t o r 和3 d 模型混合显示。模拟i m p o s t o r 到3 d 云团渐变过 程但由于i m p o s t o r 在生成动态纹理的时候修改了v e g a 本身的渲染状态，因此，我们又 采用了一个减粒子模型：整个模拟过程中，云团都采用3 d 显示，但随着云团离视点距离 4 中国民航大学硕士学位论文 的变化，我们实时优化构成云团云片的数量，以及云片位置。 另外考虑到飞行员在飞行中的真实视觉感受和心理体验，对系统中雾效果也进行 了精心设计。 本文的组织安排：第二章到第五章分别具体介绍我们要模拟的气候现象，然后最 后一章介绍v e g a 的特点、如何使我们所做的模拟嵌入n v e g a 中、系统中雾效果的设计以 及机场导航灯光的设计与实现。 中国民航大学硕士学位论文 第二章降雪现象模拟 本章在分析已有的降雪和积雪模拟方法的基础上，提出了一种大场景环境下降雪 和积雪模拟的新方法本文将降雪和积雪过程看成雪景模拟的两个阶段，分别用不同的 方法进行模拟。在降雪方面，引入粒子的旋转，粒子动态纹理和动态颜色等，提高了降 雪模拟的真实性和灵活性：在积雪方面，引入噪声技术，解决了已有积雪模拟方法不能 用于大场景模拟的问题实验表明：本文提出的降雪积雪模拟方法模拟效果真实，实时 性良好，适合大场景尤其是飞行模拟系统中。 2 1 引言 随着计算机图形图像技术的高度发展，可视化系统的应用日益广泛，人们对可视 化系统的模拟逼真度的要求也越来越高。由于雪会给各种机动设备的驾驶员带来许多视 觉上的障碍，从而带来相应的操作困难，所以无论从计算机图形学的角度，还是从模拟 训练的角度，在视景中创建或研究雪的计算机模拟均有重要的意义和广泛的应用。 对下雪等复杂自然现象的模拟一直是计算机图形学中具有挑战性的研究方向之一 m 根据自然环境中降雪的过程，可以把对雪的模拟也分为两个阶段：一个是降雪过程， 即雪降落到地面前的过程，另一个积雪过程，即雪降落到地面形成积雪的过程这两个 阶段都有其难点，前一个阶段主要特点是：由于雪本身的随机性和离散性，雪花降落速 度复杂性，运行轨迹变化不一，无法用公式简单地模拟。因此这个阶段主要根据雪花的 受力情况，包括：重力，浮力，阻力等以及风的作用，建立动力学方程，实时控制雪花 移动：后一个阶段主要特点是：在积累的过程中，不但要做降雪数量的统计，而且要考 虑各种受力。地形，环境等多方面因素。 在雪模拟方面，研究者们基于粒子系统“”已经做了一定量的研究工作，有的研究者 只考虑降雪本身，如： 1 9 9 9 年谢剑斌等“”提出了基于粒子系统的雪花降落的实时模拟生成算法文章中没 有分析雪花粒子的受力情况，只是用简单的随机函数动态控制雪花粒子的运动，在显示 上引入视觉感知心理学的处理，这一切都是为了简化模型，提高实时性。在当时计算机 硬件、软件相对落后的情况下，这个算法也达到非常好的实时效果。 2 0 0 3 年王润杰等。”在文章中，对雪花粒子的形状进行了改进，对雪花粒子的寿命进 行跟精确的控制，从一定程度上提高了模拟的真实度和渲染速度。 2 0 0 5 年陈蕾等。”1 发表的文章，提出给雪花粒子增加碰撞检测。 有的研究者则侧重于积雪模拟，如： 2 0 0 0 年p a u lf e a r i n g “”提出计算积雪的方法，他把积雪的计算分成两步：第一步、 6 中国民航大学硕士学位论文 根据雪花的飘落，计算每一个小面上积雪的厚度；第二步、对降落在地面上的雪花粒子 进行稳定性判断，不稳定的雪花，继续控制它移动，直到稳定。这个算法产生的积雪效 果非常细致，积雪非常有层次。但是，这个算法渲染速度非常慢，不适合实时性要求高 的降雪场景模拟。 2 0 0 2 年h a g l u n d 等”1 也提出实时计算积雪的方法这个方法的思想是：把整个物体 表面分成二维的网格，落在网格内部雪粒子的数量代表这个网格中积雪的厚度，然后， 根据这个厚度，在每一个网格上再覆盖一层面，这层面就是后来的积雪。他这个方法非 常灵活，可以根据要求的显示精度，调整网格密度，实时性比较好。这个技术的难点就 是对网格的划分，网格的划分必须根据物体的形态分布，因此这个工作必须在建模型的 时候完成，而且网格划分必须非常随机，太规则了，积雪就不够真实。 2 0 0 5 年t b m o e s l u n d o ”也在自己论文中，不但提出了如何根据物理条件真实的建立 雪粒子模型，而且提出了一种计算积雪的方法首先，在物体表面设计粗网格，然后随 着降雪的过程，计算落入每一个网格内部粒子的数量，然后对网格进行动态调整，使得 粒子数量比较多的地方的网格相对比较密集，形成细网格，粒子数量少的地方，网格之 间相互合并，形成租网格。这个方法的模拟效果也非常的好，可是他要对网格进行动态 调整，影响系统的实现速度。 本文要研究的是飞行模拟器的实时视景仿真，都是大规模的地面模型，加上飞机速 度快，因此，要求图像的生成和调用实时性非常高。这样不加特殊气象本身系统的计算 负荷就较大；再在此基础上加上特殊气候效果，运用前面已有的研究方法( 尤其是积雪 模拟) ，肯定达不到飞行仿真的要求，因而没有使用价值。 考虑仿真的飞行环境场景复杂，本文在研究上述各种方法的基础上，结合飞行视景 仿真的实际需要，提出了一种新的降雪和积雪模型，降雪方面，虽然也采用传统的粒子 模型，可是对粒子进行了进一步的优化，考虑更多的因素，提高了降雪模拟的真实度； 在积雪方面，引入噪声纹理技术，解决了已有积雪模拟方法不能用于大场景模拟的问题 2 2 粒子系统 2 2 1 粒子系统的形式描述 粒子系统最是早由r e e v e s 提出的。作为构造具有“模糊”形状物体的计算模型的 方法“”，这一类物体包括一些自然界中常见的现象，诸如火焰、云、浪花、烟云等。它 们的共性是没有固定的形状，没有规则的几何外形，更重要的一点就是它们的外观随着 时间发生不确定的变化。在以往图形学的建模研究中，通常使用几何体建模的方法来模 拟研究对象的外形，这种方法对于这类“模糊”物体肯定是不适用的。因为它们无法用 多边形或曲面来表示，而且数学建模的方法无法描述其形状的不确定变化，事实上后者 更是模拟的目的，正是在这种需要下产生了“粒子系统” 中国民航大学硕士学位论文 粒子系统被认是迄今为止为模拟不规则模糊景物最成功的一种图形生成算法。在 粒子系统中我们关心的只是景物的总体形态和特征的动态变化，而不是每个粒子本身 粒子系统的这一特征，使得它充分体现了不规则模糊景物的动态性和随机性。粒子系统 不是简单的静态系统，随着时间的推移，系统中不仅己有的粒子不断改变形状、不断运 动，而且不断有新粒子加入，旧粒子消失。为了模拟粒子的生长和死亡的过程，每个粒 子均有一定的生命周期，使其经历出生、成长、衰老和死亡的过程。 粒子系统作为计算机模拟的一种常用方法，一般用于自然景物的动态模拟对于 任何物体，不论是固态、液态、气态，例如火焰、云、烟等，都可以认为是由最简单的 粒子构成。这符合物理学的定律：“物体都是由最基本的微粒构成的”那么粒子系统 要解决的问题就是“粒子”的存在和运动遵循的规则及其所受的作用，对粒子的作用可 以分为两大类： ( 1 ) 宏观作用 它是粒子作为一个整体要遵循的规则，这一类的作用相对简单一些。例如物体要受 重力的作用，那么构成物体的每一个粒子都要受重力的作用。可以认为这类规则就是物 体所受作用均匀分布到每一个粒子( 数值也可以是不均匀的，例如风的效果对于每一个 雪花粒子的影响可以不一样) ( 2 ) 微观作用 对于物体整体而言，这种作用是不存在或没有意义的但是对于单个粒子本身，就 应该考虑这种作用例如对于火焰粒子，它表示的就是“炙热的碳粒”，对于某个粒子， 如果处于高密度区，它就会向低密度区扩散。还有些粒子之间由于相互碰撞而导致的能 量交换也属于这种作用。 既然粒子的尺寸很小。模拟时当然要使用大量的粒子一般来说粒子的数日可以达 到几千，多的甚至数十万。所以在对它们进行动态变化和渲染的计算中需要采用简单化 的假设。较通用的假设如下： 1 ) 粒子不会和其它的粒子碰撞。 2 ) 粒子具有一定的生命周期。 3 ) 粒子不会具有阴影。 粒子只是表示占据空间某一位置的对象，这一对象也许只是一个小尘粒( 如雪的模 拟) ，因此对单个粒子不能像对待一个实际的物体那样进行阴影处理。但是，以上的讨论 是针对单个粒子而言的，当一团粒子表示着“具有实际外形、颜色、透光度、反光度的 物体”时，不在上述假设范围之内。例如一团粒子表示着一块云，这个云就是一个实际 的物体，对它要进行阴影等备方面的处理。 4 ) 粒子不会反射光线( 原因同3 ) ) 。另外事实上，每一个粒子被假设为一个点光源。 8 中国民航大学硕士学位论文 2 2 2 粒子系统的基本模型 粒子具有一定的生命周期( 即寿命) ，在每一时刻( 比如在每一帧) 里只有其中的一 部分是“生存的”，因此，在粒子系统的应用中，研究粒子的诞生、死亡的规律是比较重 要的一个方面。在利用粒子系统方法进行模拟的过程中，对于粒子经过相同的算法处理 自然会产生规律性的结果，反映到视觉效果上就表现为“图像非常规则”，具有“人工 处理的痕迹”为了解决这个问题，避免过分的规则性，在绝大多数建模和粒子处理过 程中要引进“随机处理方法”。 在计算每一帧时，一般要进行以下的处理步骤： ( 1 ) 在这一帧期间诞生一些新的粒子； ( 2 ) 为每一个新诞生的粒子分配初始特性( 如颜色、位置、初始速度、大小等) ； ( 3 ) 遍历粒子，将所有到达生命周期的粒子除去； ( 4 ) 对保留的粒子根据运动规则进行运动计算，并对其它的参数根据控制原理进行更 新。 ( 5 ) 渲染粒子。 2 3 雪景的分析 雪景是自然界中非常常见的现象，使用粒子系统来进行模拟是非常合适的。每一片 雪花可以用一个粒子来表示，如果贴切地模拟出粒子的运动，然后再进行合适地渲染， 那么形象的雪景就能构造成功 让我们来想象一下下雪时的情景：雪花形状各有不相同，有六角形的，有如鹅毛般 片状的，还有粒状的：雪花有时飘飘荡荡，随风而舞，有些则倏然而逝；可见雪景看起 来简单，但是要想很好地模拟，需研究它的细节 ( 1 ) 降雪方面： 1 ) 雪花有不同的形状和大小，对于形状至少有雪团、六角雪花、雪粒等，而对于雪 团和雪花，每一个之间形状又各有微小差异； 2 ) 雪花不是直线下落的，受空气阻力和风的作用会到处飘荡； 3 ) 雪花的下落速度也各不相同，跟雪花的形状和大小有关； 4 ) 雪有时下的大，有时下的小，各个区域也是不均匀的； 5 ) 下雪时，通常有风的效果； 6 ) 风对于不同的粒子的作用效果不同，例如对于雪花，被风吹得飘飘荡荡。有时甚 至会突然向上飘，而雪粒受风的影响，有时甚至吹的有如斜线一般； 7 ) 由于视觉的原因，远处雪花看起来要小、下落速度慢，飘荡幅度小； 8 ) 雪花在下落的过程中，大片的雪花会分裂成小片； 9 ) 下雪时，地面的雪会被风吹起，形成地表附近的雪尘； 9 中国民航大学硕士学位论文 l o ) 风的效果是变化的，有阵歇性的，持续的，且方向是飘移的： ( 2 ) 积雪方面： 1 ) 开始下雪时，地面保持自身的颜色，但随着时间的变化，雪层的加厚，地面颜色 由自身颜色到白色有一个渐变的过程； 2 ) 积雪随着降雪规模变化，当降雪转小，地面颜色由从白色慢慢过度到地面自身的 颜色； 3 ) 雪层的厚度是随着地面起伏的； 4 ) 地面积雪地厚度和地面周围环境、风向是有关系的。例如，虽然地面情况相同， 可由于墙的方向和风向，他们雪层厚度差别却非常明显； 2 4 降雪模拟 2 4 1 降雪的改进 本文在降雪模拟方面仍采用粒子方法。传统方法中，雪粒子为不带纹理的白色椭 圆面，在运动过程中，粒子的颜色始终是白色，而且代表粒子的椭圆面是始终垂直用户 视线的8 il l b o a r d 这种方法中，粒子颜色不会随着天气、光照的变化而变化，在模 拟中到大雪时，随着椭圆面增大，模拟效果就不够真实。因此本文采用的降雪模拟方法， 在以下几个方面进行了改进 ( 1 ) 雪粒子的空间属性 模拟降雪需要的雪花粒子数量庞大，因此，在维持系统实时性的同时，控制好雪 花粒子的数量是降雪模拟中最关键的因素。为了达到实时进行仿真的效果，在空问位置 的设计中必须进行很细致的设计由于视景场面是给飞行员看的，因此我们有必要研究 和考虑人的视觉感知的特点，从而简化模型，尽可能多地去除冗余，从而减轻系统的计 算负荷。 i ) 透视效果 飞行视景仿真中我们定义视点即飞行员的眼睛，而人眼观察物体有远处小近处大 的特点，即有透视的效果，因此人眼看景象应如下图2 - i 所示，只有在人的观察视锥中 才能是可见的”“。 2 ) 视觉心理学 图2 - 1 视锥图 1 0 中国民航丈学硕士学位论文 从直观感觉上说，粒子群在屏幕上所占面积越大，对整个场景的视觉效果的贡献 也就越大，因此，粒子群在屏幕上所占面积越大，其选用粒子系统的层次模型也应该越 复杂反之，若粒子群在屏幕上占据面积很小，则选用粒子系统的层次模型可以很简单。 3 ) 分布 通常理解粒子在可视范围内都是均匀分布的，但是，降雪，尤其是暴雪时，能见 度非常低，随着离视点距离的增大，雪粒子对视觉效果的贡献就会越小。根据这一情况， 我们采用与距离相关的概率函数代替传统方法中的等概率函数，模拟相同效果就只需要 少量的粒子 图2 - 2 暴雪模拟中采用的概率密度函数。 外形 1 ) 融合技术 传统方法中，雪粒子往往为纯白色椭圆面，在运动过程中，粒子的颜色始终是白 色，这样雪花不能适应环境，融入整个场景，因此，考虑到天气、光照和环境等对雪花 粒子颜色的影响，我们采用单色的椭圆面贴上半透明雪花纹理来模拟雪花粒子，采用融 合技术，最终达到了雪花粒子和环境的融合，因此，只要调节单色椭圆的颜色，就可以 控制雪花粒子的颜色，使雪花适应周围环境变化，融入整个场景，并随视点角度、光照 的变化而变化。 2 ) 雪花纹理 为了提高真实度的同时维持渲染速度，我们采用的雪花纹理也是根据粒子大小、 粒子离视点的距离，来选择不同精细度的纹理，如下图，就是我们采用的雪花纹理当 粒子距视点足够远的时候( 约3 5 ) ，就可以忽略其纹理，采用单色椭圆面直接代替，这样 在粒子数量极大的情况下，可以提高渲染速度。 ( 3 ) 运动 图2 3 不同的雪花透明纹理( 纹理大小依次增大) 中国民航大学硕士学位论文 雪花在空气中运动过程中，受多种力影响，最复杂的就是空气动力，空气阻力等， 它们不但随着雪花运动方向变化而变化，而且，跟雪花在空中选择的角度也是有关系的 因此，在降雪模拟中，我们采用细化和粗化两种方式对传统方法优化。 1 ) 细化 传统方法，虽然考虑雪花受力比较细，但是，它们对放弃雪花旋转运动的处理，雪 花是一个薄片，不像雨滴那么对称，因此，它的旋转运动对于它所受的其它力影响是非 常大的，因此，我们在雪花粒子模型中增加了雪花旋转的因素。 2 ) 粗化 传统方法中虽然考虑到空气阻力，空气动力等复杂的因素，可是实际计算的时候， 由于模拟与实际环境的差别( 很多实际因素都无法获取) ，它们将好多原本重要的参数 抽化为常数，或者不考虑，比如，气压、温度、受力面及受力角度等等因此，在我们 模型中，我们用一个随即速度矢量玢来代替，这样在粒子数量庞大的时候，简化了繁琐 的运算，提高了实时性，而且在视觉上也满足了要求。 下图是我们建立的粒子速度和受力分析： 图2 4 雪粒子受力和速度图 其中，为初始速度矢量( 常值) ，肭风速矢量，哟随机速度矢量，量为重力加速度矢 量，由于雪花的形状特殊，因此。受到空气阻力而在空中无规则飞舞，我们引入随机速 度矢量盱在简化阻力的同时描述雪花的这一运动，取啪b ：模取定值而方向任意的矢量 2 4 2 降雪算法描述 综上所述，粒子的属性实现为： s t r u c tj t x _ s n o w f l o a ts i z e ； 粒子的大小 c o l o r 4 fc o l o r ： 包含a l p h a 的粒子颜色 v e c t o r 3 fp o s ； 粒子实时位置 v e c t o r 3 fv o ： 初始矢量速度v o v e c t o r 3 fv f ： 风速v f 1 2 中国民航大学硕士学位论文 f l o a tr o t ： 旋转角速度 f l o a ta n g l e ： 当前角度 b o o ls t a r t _ a s s i g n ；标记粒子是否已指定属性 ) ： 粒子的运动方程为： 虼：聆十睁十+ f g i t ( 蹈为i 帧时的随机速度矢量)( 2 1 ) 岛= 5 0 + 聍。d t ( s 表示第i 帧的位置)( 2 2 ) 在实际渲染中，用两帧之间的时间差睐代替积分，因此，公式2 1 和2 2 就转化 成： k = 计场留at ( 2 3 ) 蜀= 5 0 + k _ at( 2 4 ) 降雪模拟算法如下( 以下坐标都是针对0 p e n g l 环境) ： s t e p l ：根据指定粒子系统的数量给每一个粒子分配存储空间，并设定每一个粒子 的s t a r ta s s i g n 属性为f a l s e 用变量t 0 记录下系统当前时问( 毫秒级) 。 s t e p 2 ：以当前视点为中心，得到它的可视范围。 s t e p 3 ：对每个粒子的s t a r t _ a s s i g n = 禺性判断，如果为t r u e , 用“变量记录下当前 系统时间，则4t = t l t o , 然后根据公式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 更新每个粒子当前帧的p o 瘌a n g e 等属性如果为f a l s e , 用随机函数初始化粒子s i z e 、p o s r o t a 和a n