（计算机应用技术专业论文）面向虚拟现实环境的自然现象模拟关键技术的研究.pdf

冈表目录 幽2 - 1 立体角d w 和光照计算示意幽 图22b i c d u 空间光照汁算示意图 冈23b l i n np h o j a g 光照模型_ 广| 方向矢景和灾角示意阿 图2db a n k s 光照模型中山向矢量叫i 意图 1 1 2 1 4 1 5 幽2 - 5 粒了系统求解过程算法框图一一一一一一2 3 幽3 1 图形冠示硬件中l 直| 定图形绘制流水线一一一一一2 8 图3 - 2 变换和顶点光照处理单元li 作原理一一一一一2 9 图3 - 3 光栅处理单儿工作原理图一一一一一一2 9 图3 - 4 图形显小硬件中n j _ 编程图形绘制流水线一一一一一3 0 幽3 - 5 顶点处理程序工作流稃示意图一 图3 - 6 片段处理程序r 作流程示意图一一 图3 7 纹理绘制流程示意图一一一 图3 - 8 寄存器混合器工作原理图一 幽3 - 9 基于图形硬件的软件流程示意图 一一j u - - - 一一j 1 - - - 一一j 1 一一3 1 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 ? 图3 1 0c g 编洋流程和运行环境示意图一一 幽3 - 11 采川纹理绘制的凹】”i 纹理绘制 图31 2 采用纹理寄存器混合器的凹凸纹理绘制 图31 3 采用c g 程序绘制的凹凸纹理绘制 图4 1 菲涅耳项f 取值特性利纹理表叫i 一一一 3 4 3 9 3 9 4 0 4 5 幽4 2 微平面存表面上的分布函数d 取值特忡和纹理表示f m = o2 1 一4 5 图4 - 3 微平面存表面上的分布函数d 取值特忏和纹理表示f m = o8 1 一4 5 图4 _ 4 儿仙衰减凶子g 取值特性和纹理表示( m02 1 一一一4 6 图4 - 5 几何衰减冈子g 取值特性和纹理表d ( m - 08 1 一一一4 6 图46 绘制物体的法向量图像 幽4 7c o o k tc ，f v f i l c 局部光照模型实时训算实验绘制效果幽 幽4 - 8a s h i k h m i n 局翻；光照模型中各方向矢量示意幽一一5 0 图49 漫反射函数纹理q 倒的取值特性和纹理表示一一5l 图41 0 9 ，( s ，f ) 纹理构造的取值特性及儿表叫i 一一5 2 图41 l 雕纹理构造的取值特性及其农小q0 5 一一一一一5 2 幽4 1 2 蜘纹理构造佝取值特忡及其表示q2 一一5 2 图4l3 岛纹理构造的取值特性及其表示q2 0 一一一5 3 幽4 - 1 4 、幽4 - 15a s h i k h m in 局部光照模型实时训算实验绘制效果幽一一5 4 图4 - 1 6b s s r d f 光线散射反射示意图 图4 一1 7j e n s e n 等提出的b s s r d f 函数计算模型_ r 儿何参数示意图一5 6 图4 1 8 基j ib s s r d f 绘制的效果图( 取自c a r r 等的工作) 一 幽4 - 19 小文中b s s r d f 光照几何参数示意幽一一一 幽4 2 0 玉雕作品艾时绘制效果幽 图jl 大气光散射和吸收示意图 图52 大空光照计算j i 意图 图53 大空透视光照计算小意图 幽j 一4 灭窄圆顶光程训算示意图 图55 视点移动情况下天空圆顶运动计算示意图 图56 太阳位胃儿何表示示意图 图j7 无限地形生成效果图 幽5 - 8 灭窄顶点光照训算处理流程示意图一一一 幽5 - 9 灭窄光照效果幽一一7 1 图5 一1 0 天空透视光照效果图 图5 1 1 大空透视光照效果图 一一一7 l 一一一7 2 图6 - 1p e r l i n 噪声讣算网格模型表不示意图一一7 4 图6 2p e f l i n 湍流噪j j 一函数绘制效果图一一7 7 幽6 - 3p e f l i n 采川流速噪声绘制佝瀑布水流效果一一一7 7 幽6 4 二维火焰绘制效果幽 图65 = 维火焰绘制效果图 7 9 8 0 表3 1 图彤绘制流水线语浊分析操作单儿一一一一一3 2 表3 2 常见绘制流稃和干h 应的浯法分析表达形式一一一一3 2 表3 - 3 采用纹理绘制的硬件指令代码一一一一一一3 7 表3 4 采用纹理寄存器混合器的硬件指令代码一一一一一3 7 表3 - 5 采用c g 程序实现的硬什指令代码一一一3 8 表4 1 月d 伍。x 函数的计算表达式一一一一一5 5 表4 - 2 浮点标量分解与合成算法 5 7 表6 - 1p e r l i n 噪声生成c g 代码一一一一一7 6 弘勰阴吧m m 盯盯盯嘏 独创性声明 本人声f 月所呈交的学位论文是本人征导帅指导下进行的研究li 作和取得的 研究成果，除了义。p 特别加以标注利致谢之处外，论义。p 不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘生盘堂或儿他教育机构的学位或证 书而使川过的4 - _ j 料。与我一同工作的同志对水研究所做的仟何贡献均己存沦文中 作j ，明确的说明并表示_ r 谢意。 学似沦文作者签名：签宁日期 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全_ r 解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据席进行榆 索，亓采用影印、缩印或扫描等复制于段保存、1 7 厂：编以供查阅利借阅。同意学校 向h 家有关部门或机构送交沧文的复印件和磁盘。 ( 保密的学似论文存解密后适川小授权说明) 学化沦文作者签名导师签名 签字日期：年月l i签字日期：年月l 1 中文摘要 白然现象模拟一直是训算机图形学领域一个具有挑战忡的课题，存影视动画、 虚拟现实和汁算机游戏软件等众多领域得到_ r 广泛应用和关注。近年来，自然现 象模拟已经成为全球图形学领域研究的热点问题。但由于自然现象本身存征复杂 的物理背景利明显的随机特千i ，目前研究中仍然存在许多亟待解决的问题，尤其 表现存白然现象的实时模拟方面。进入2 1 世纪以米，随着拥有g p u 处理器的新 一代图形硬件的推山，研究者将希望的f 1 光投向了g p u 可并行i i 算忡能上，小 文主要就白然现象模拟_ r | 复杂物理光照、大气散射光照和随机噪声模拟等儿个关 键性问题进行了深入的研究，并依据g p u 的处理机制提m 了实时计算、模拟的 m ) 二， 首先，针对满足b r d f 特忡的c o o k t o r r a n c e 局a ；光照模型和a s h i k h m i n 局翻； 光照模刑分别提出j ，长于延叫绘制的实时计算方法和翠于纹理分解的实时汁算 方法，该方法伍保汪图形绘制真实感的的提下有效提高厂图形绘制速度。 其次，钊划玉雕作r 讲等半透明物质存存内部光线散劓的特j ? 、l ，本文存深入研 究，b s s r d f 光照模型的基础之卜，提m 厂一种基于g p u 汁算的简化b s s r d f 光照计算山法，该山浊在保证图彤绘制真实感的情况l j ，有效提高了绘制效率， 达到了交h ：实时绘制的要求。 而皋于物理光照处理的室外光照是获取高度真实感图形绘制的一个重要力 ，它在晰i 模拟、游戏软件厂r 具有j k 好的应用6 u 景，本文深入研究厂大气光散 剁模型，并在此基础i 提卅了 种适合j 任意视。i _ 的天空利天空透视光照计算山 法。 又因p e r l i n 噪声和流速噪声是f 1 前图形学领域模拟白然现象的一种重要手 段，本文针对p e r l i n 噪声计算花费较高的问题，提出j ，甚于g p u 计算的实时p e r l i n 噪声生成山法，并在此基础提m 了采用四儿数农小的流速噪卢实时模拟山浊， 最后采用噪j j 一纹理对火焰这自然现象进行了模拟。 关键词：白然现象模拟，实时绘制，g p u ，灭窄光照，过程纹王甲 a b s t r a c t n a t u r a ls i m u l a t i o ni so n eo ft h ec h a l l e n g i n go p e np r o b l e m si nc o m p u t e rg r a p h i c s t h ep e o p l ei nm a n yf i e l d s ，s u c ha sc o m p u t e ra n i m a t i o n ，v i r t u a lr e a l i t ya n dc o m p u t e r g a i n e ，s h o wg r e a tc o n c e r na b o u tt h ed e v e l o p m e n to ft h iss u b j e c tt h em a i nr e a s o ni s t h a te v e r yp r o g r e s si nt h i ss u b j e c tc a nb e n e f i tt h e mg r e a t l yi nr e g e n ty e a r s ，t h i s s u b je c tb e c o m i n gah o tt o p i co v e rt h ew o r l dg r a d u a l l yh o w e v e r , t h e r ea r es o m e d i f f i c u l ti s s u e sn e e dt ob es t u d i e df u r t h e r s i n c en a t u r ei s c o m p l e xa n dp h y s i c a l s i m u l a t i o nt a k e sg r e a tb u r d e nt oc u r r e n td e s k t o pc o m p u t e r , i ti st o od i f f i c u l tt o s i m u l a t en a t u r ei nr e a l t i m ean e wg e n e r a t i o ng r a p h i c sh a r d w a r ep o w e r e dw i t hg p u w a si n t r o d u c e dr e c e n t l ys i n c et h i sk i n do fd e v i c eh a sf e a t u r e sb o t ho np a r a l l e l c o m p u t a t i o na n dp r o g r a m m a b i l i t y ，m a n yr e s e a r c h e r st u r nt oi t sh e l pt os o l v ec o m p l e x c o m p u t a t i o na n dr e n d e r i n gp r o b l e m s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，ts t u d i e ds e v e r a lk e y t e c h n i q u e si nn a t u r a ls i m u l a t i o n ，w h i c hi n c l u d e sp h y s i c a ll i g h t i n g ，s k yl i g h t i n ga n d g e n e r a t i o no fb o t hp e r l i nn o i s ea n df l o wn o i s et h es o l u t i o n so ft h e s ep r o b l e m sa r e l a r g e l yd e p e n d e n to ng p ut e c h n i q u e s f i r s t l y , b e c a u s eb o t ho fc o o k t o r r a n c el i g h t i n gm o d e la n da s h i k h m i nl i g h t i n g m o d e la r ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t i e sa n dl o wr e n d e r i n gs p e e d ，ad e f e r r e dl i g h t i n g m e t h o da n dal i g h t i n gm e t h o db a s e do nt e x t u r ed e c o m p o s i t i o na r ep r e s e n t e dt os o l v e a b o v et w op r o b l e m ss e p a r a t e l yt h e s et w on e wm e t h o d sc a ne f f i c i e n t l ya c c e l e r a t e r e n d e r i n gc o m p u t a t i o n s e c o n d l y ，s o m em a t e r i a l ss u c ha sj a d ea r et r a n s l u c e n tw h i c hc a nc a u s es u b s u r f a c e s c a t t e r i n gw h e nr a ye n t e r st h i sk i n do fo b je c t s t h i sm a k e sl i g h t i n g c o m p u t a t i o n b e c o m em u c hm o r ec o m p l e xi nt h isp a p e r , an e wm e t h o db a s e do ng p u t e c h n i q u e s i sp u r p o s e dc o m p a r ew i t hb s s r d fi ti ss i m p l ea n dc a nr e n d e rj a d eo b j e c ti na n e f f i c i e n tw i t h o u tt r a d e o f fr e s u l ti m a g e q u a l i t yo b v i o u s l y p h y s i c a l l yb a s e do u t d o o rr e n d e r i n gi so n eo fm o s ti m p o r t a n tm e t h o dt oa c q u i r e h i g hq u a l i t yr e a l i s t i cr e n d e r i n gr e s u l t sw h e ns u n l i g h tt r a v e l st h r o u g ha t m o s p h e r e ，i t w i l lb es c a t t e r e dd u et om o l e c u l ea n da e r o s o lan e wm e t h o dt of i ts k ya n ds k y p e r s p e c t i v er e a l t i m er e n d e r i n gc o m p u t a t i o n si sp u r p o s e di n t h i sp a p e r u p o nt h e m e t h o do n ec a n n o tc o n c e r nt h ee y ep o i n tl o c a t i o nt h em a i na d v a n t a g eo ft h i sm e t h o d i st om o v ec o m p l e xc o m p u t a t i o nt og p u p e r l i nn o i s ea n df l o wn o i s ea r ei m p o r t a n ta l g o r i t h mi ns i m u l a t i n gn a t u r e u n f o r t u n a t et h e ya r ec o m p u t a t i o ne x p e n s i v es o m e h o wi nt h ef i r s t ，an e wm e t h o dt o c o m p u t ep e r l i nn o i s ei n r e a l - t i m ei sp r e s e n t e dt h i sm e t h o d1 t l o v e sl a r g ea r n o u n t c o m p u t a t i o n st og p us i d ea n dc a nb ec a l c u l a t e di nv e r ye f f i c i e n tw a yt h e nw eu s e q u a t e r n i o nr e p r e s e n t a t i o nf o rs o l v i n ga r b i t r a r yr o t a t i o np r o b l e mi nf l o wn o i s e ，a n d a l s om o v eh e a v i l yc o m p u t a t i o nt og p us i d ea tl a s t ，w es i m u l a t ef i r ew i t hp e r l i n n o i s eb a s e do ng p u c o m p u t a t i o n k _ e yw o r d s n a t u r a ls i m u l a t i o n ，r e a l t i m er e n d e r i n g ，g p u ，s k y l i g h t r e n d e r i n g ，p r o c e d u r a lt e x t u r e 第一章绪论 1 1 课题研究背景、目的与意义 1 9 6 5 年训算机图形学的奠基人i v a ns u t h e f l a n d 存其论文中勾勒山了一种伞 新的图形显示技术，即应用汁算机技术生成儿论是在视觉上还是物理运动特 性上都比较逼真的图像，并将结果显示征监视器屏幕上，虽然s u t h e f l a n d 博l 并 没有准确提m 虚拟现实( v i r m nr e a l i 哆) 的具体定义，但他这远见卓以的论述奠 定了现代虚拟现实技术的基。随着计算机科学技术的迅猛发展和应川领域的不 断拓展，近年米，虚拟现实技术取得了长足的发展，并融合了视觉、听觉和触觉 等交互感观刺激技术。从2 0 世纪6 0 年代起，虽然虚拟现实技术走过厂小断完善 发展的过程，计算机图形学技术、_ 二维空n i jj j 一技术、力反馈利触觉反馈技术等均 取得了长足的进步，但距离所谓的“现实”剐“r e a l i t y ”仍然存在相当人的距离 2 。 虚拟现实的基础足虚拟环境场景的数字化构造和绘制问题，它足构架个良 好的虚拟现实环境的基础，首先虚拟环境必须能够提供给人真实的、多方似的感 观刺激，需要构建相应的真实感= 维图形环境。其次虚拟现实环境是一种高级人 机交互系统，它必须建立在实时交互的运行性能基础之，属j i 限时计算系统。 传统的虚拟现实系统南j 考虑到场景绘制的复杂性，难以满足实时交互绘制的性 能指标，通常通过牺枇被绘制场景的画面质量米提商场景绘制速度，1 要表现存 = 个方i f i i ：一是采用简单的近似光照计算模型实施场景的光照汁算，如p h o n g 光照模型 3 ；：是采用b s p 树算法 4 、八义树算法 5 和优先分层投影算法 ( p l p ) 6 等山法实现快速n j 见性判别；_ 二足采用多细节层次模型( l o d ) 技术来控 制被绘制场景的复杂忡，从而提高图形绘制1 勺速度 7 。罹然这些技术都是1 要 针对规则几何构造即多面体几何模型提山的，上述技术的有效应川存很大程度上 满足_ r 虚拟现实系统实时绘制的需要。然而其在自然景观绘制方却显得个足， 自然界_ r 的许多现象是1 i 能用儿何模型表示出来的，例如山体等地形和植被的构 造在很人程度表现卅分数维的特千 。同时自然现象的模拟总是与些复杂的物 理模型干h 关联，需要通过求解物理方程才能获取其动态的形态数掘和动力学特 忡，例如五的模拟就牵涉到云物理学和流体动力学特忡的求解过程。再有白然界 _ r 的光照也是一个复杂的物理过程，近似p h o n g 光照模型难以满足真实感f 哥形光 照牛成的需要，而复杂光照训算的训算花费相对是比较高的，所有这些因素构成 厂实现i f i 悯实叫交互限时汁算的一大障碍。 系统地开腱自然现象汁算机模拟的研究，通过数字化方式构造和模拟自然现 象具有重要意义。首先，奇妙的自然现象总足带给人类无尽的遐想，激励着人们 探索的步伐。白盘古丌天地超人类从没有停f r 过对白然现象描述的渴望，从中h 古代张衡的浑灭仪到近代西方的经典物理学，直不当今的现代物理学，科学家一 自伍从宏观剑微删的l 止界阜小断探索，力求把握自然现象的脉搏，为此科学家小 断提高掌控利预测自然现象的能力，提m 了许多关j 自然现象描述的物理模型， 并能够在定八度内复现自然现象的变化规律，通过计算机图形学技术将复杂的 物理模型转化为直观的视觉效果模拟电是其中的一种方法，以便人类能够更加直 观的_ r 解自然现象的变化过程。自然现象模拟研究的另一动力来自于个断提升的 计算机动j m 发腱需求，计算机动i m l 是计算机图形学与艺术相结合的产物，它是伴 随着计算机硬什利图形算浊迅猛发展起来的 门高新技术，综合利用计算机科 学、艺术、数学、物理学和其它相关学科的知识，通过计算机牛成绚丽多彩的连 续的虚拟真实画面，为人们提供了一个充分展示个人想象力和岂术才能的新天 地。在现代计算机动j m _ r | ，过程动j 唧技术和犟于物理的动i m l 技术是实现自然现象 真实模拟的两人技术支撑。州8 。市实自然现象本身足 个生存在时n u 轴的 函数，具有动画| t i 9 基小性质，对白然现象模拟| 1 i d 深入研究为训算机动画技术| t i 9 发 展提供了有力的技术支持。第一二个动儿来自j i 虚拟现实技术利计算机游戏j 。、【k 的 需求，存飞行仿真、战场模拟和游戏软件等具有很强实时交_ 仿真系统中，对白 然现象的模拟提山了更高的要求，一方面它迫切需要逼真的白然场景以j 曾d l l 模拟 环境的真实感，另一方它属于限时汁算系统，在实时交互上提出_ r 更高的要求， 冈此如何在保证较高画面质量的同时有效提高自然现象模拟计算速度利绘制迷 度，足实现面向虚拟现实系统自然现象模拟的技术关键。 k 期以米，白然现象模拟( n a t u r a lp h e n o m e n as i m u l a t i o n ) - - 直是计算机图形 学领域腧的一个挑战性问题，自然现象模拟主要包括自然地形、植被、烟尘、 火焰、水、爆炸、闪电、布料等的计算机动j 唧模拟，相对于传统的儿何构型场景 表达模式，自然现象模拟具有如p 特止l ： 自然现象模拟场景光照情况比较复杂。物体的表面反刺光照在物理符 合双向反射分布函数( b r d f ) 描述特忡 9 ，而根据物理表面属性，b r d f 义表现出各川司性和各i 司异性的反射光照特点，简单的b l i n n p h o n g 光 照模刑l o 1 i 能满足b r d f 定义的物理特征。半透f 月物体( 如皮肤、植 物茎叶、乇石等) 的光照考虑到物体光线进入物体内部的散剁特n f ，需 要采川更为复杂的双向曲面散射反射分布函数( b s s r d f ) 米艾施光照描 述 1 1 。窄外白然光光照1 要是由于大气层对太阳光散射作川的结果， 其光照效果依赖于天气、叫间和大气悬浮颗粒等凶素，需要通过分析天 空光线散射特征构造绘制方程 1 2 总之绚丽多彩的自然界光照绘制计 算足图形学的永阿追求。 白然现象模拟中的场景律律包含丰富的细节层次和随机变化的几何构 造，难以通过传统的解析曲面进行描述，需要采川过程模型伊r o c e d u r n m o d e l ) 实施捕述 13 ，典型的过程模刑有：批于分形理论的l 系统和分 彤布驯运动m m 模型 1 4 1 5 】、维噪雨数利湍流函数模型 1 6 】、粒子 系统模型 1 7 、经验模型 1 8 1 9 1 1 2 0 1 牙h 基j 流体动力学( c f d ) 描述的网格 训算模型 2 1 1 1 2 2 1e 2 3 2 4 1 等。 自然现象模拟巾的场景具有“生命”特征，所删的“生命”特征即自然 场景厂r 的物体形状和绘制都是随叫间动态变化的，这种变化往往征宏观 表班m 随机性特征，但背后却存在着复杂的物理规律，例如流态物质 可以通过求解n a v i e r s t o k e s 方程获得流体质点的运动和动力描述 2 5 ， 科学家存物理学领域提山了许多白然现象的描述模型，其意存探索白然 现象的内在奥秘，目的是更好的利用和控制自然。物理模刑的求解汁算 在自然现象模拟中足不n j _ 或缺的，然而划图形学町言自然现象模拟主要 指其视觉效果模拟，即要水“行起来象”n q 、具自连续忡利交瓦拧制l 牛 的视觉效果，冈此如何抽取利视觉效果紧密相关的物理参数利描述模型 并达到交_ 运算的忏能是实现白然现象动态实时模拟的关键。 自然现象模拟融合了现代训算机图形学中的多种技术手段，是多种剀形 学技术的综合休现。这其厂r 包括真实感图形绘制技术 1 3 、纹理技术 2 6 、 计算机动画技术 8 、多道绘制技术 2 7 i f h 特效处理技术等。 现代计算机动画技术、虚拟视景仿真系统利计算机游戏技术都离不升自然场 景的视觉模拟，对白然现象模拟的深入研究综合体现了当代训算机图形学的发展 水平，具有重要的理论和实践意义。 1 2 自然现象模拟技术的研究现状与面临的问题 自然现象模拟是一个充满活力和挑战的研究谍题，其活力存于自然现象都是 人 f j 日常生活厂r 耳熟能详的场景，芬片的植物、绵延的丘粼、绚丽的光影、蔚监 的天空、燃烧的火焰、荡漾的水波，凡此利r 种日复一日的眺入人们的眼帘，如何 通过数字化技术将它们在计算机。p 展现m 来足全球研究存密切关注的问题。具挑 战忡存于白然现象7 ，后都存存着复杂的光照绘制过程和物理规律，传统的计算机 图形学技术j 比难满足自然现象的生成和绘制要求。 白l9 9 4 年伍s i g g r a p h 教程_ r | 白次设市1 2 然现象模拟( s i m u l a t i n gn a t u r e ) 专题以来，历经十多年的发展，自然现象视觉化模拟技术已取得了长足的进步。 但时至今日1 2 然现象的研究仍然是l 岛散的，尚未形成干h 对统一的描述模型，很多 研究成果都是针对某一特定的白然现象模拟，这一点也充分体现存s i g g r a p h 教程之_ r ，在2 0 0 4 年的s i g g r a p h 教程r r ，其名称已经变为“t h ee l e m e n t so f n a t u r e ”。综1 所述，目前自然现象模拟的研究主要集中在以卜几个，j 面： 植被的模拟 2 8 2 9 3 0 ：主要通过不断改进的l 系统来描述植被的造 型，并综合应川图形学中的绘制技术实现植被的模拟绘制。 地形模拟 3 2 1 ：主要通过分形布朗运动来捎述个规则的地形形状，并 综合应用图形绘制技术和纹理技术实现真实感地形的绘制。 - 二维噪j ：函数利湍流函数 1 6 1 ：_ 二维噪j j 一函数足描述随机不规则过程纹 珲的有力工具，湍流函数是建立存三维噪声函数基础之上并可以近似描 述湍流现象的经验模型，应川湍流函数可以模拟气体、石和火焰等白然 现象 3 3 3 4 3 5 。 粒子系统f 3 6 是模拟不规则模糊物体运动的 种图形生成算浊，它能够 胖仟多种白然现象| 1 i d 动态模拟，如仃日焰火、爆炸等等。 基j 流体动力学计算的模拟技术足目前自然现象模拟研究中的热。司 题，许多白然现象如炯雾、火焰、水流、石彩等都是具有流体忡质的物 质。因此可以通过训算流体动力学技术获得流体质点的运动和动力属 性，这方的典刑l i 作见 2 1 3 7 3 9 4 0 。 自然现象模拟无论采用何种技术实现都需要人规模场景数据的动态计算，计 算压力主要来自j 两个厅面。 足动态场景真实感绘制，这主要取决j 光照计算。 二是物理模型的求解过程l 如粒了系统中常微分方程n d e 和流体动力学中偏微 分方程p d e 求解) 。随着对模拟场景真实感璺求的小断提高，需要采用符合物理 光照特性( p h y s i c a lp l a u s i b l e ) 的复杂光照模型，这类光照模刑的计算复杂度远高于 简单的b l i n n p h o n g 光照计算，同时模拟的真实感也取决j i 仿真物理模型求解计 算的精度，物理模型的求斛计算本身足个复杂的微分山程的数值计算过程，所 有这些因素给白然现象的艾时交_ 模拟带米了较大的计算量。 图形处理硬件技术的跨越式发腱总是带动计算机图形学的重大突破，白 1 9 9 9 年n v i d i a 公口j 提出g p u ( g r a p h i c sp r o c e s s i n gu n i t ) 处理机制之后 4 i ，其迅 猛的发展速度超过了c p u 的_ 二倍多，进入2 l 世纪特别足2 0 0 3 年，基j g p u 计 算的图形处理算法更是如雨后春笋般迅速发展起米 4 2 ，随之而米的是一大批以 律存图形学中费时复杂的计算由于g p u 的介入使其处理速度越米越接近于实时 处理水半，如p u r c e l l 等设计厂华于g p u 处理的光线跟踪算法 4 3 ，g r e gc o o m b e 等采用g p u 实现辐射度光照计算 4 4 ，h o f f 等使用图形硬件加速机制处理汁算 几何中的v o r o n i o 图问题 4 5 ，c a r r 等j 渺用g p u 技术实现了半透明物体的复杂光 照训算 4 6 1 ，就连费时的体绘制电丌始采j i j g p u 技术米实现交h 式处理计算 4 7 。 白然现象模拟研究由于g p u 的山现也得到了飞速发展，这1 - 要得益于新兴计算 技术g p g p u ( g e n e r a l p u r p o s ec o m p u t a t i o nu s i n gg r a p h i c sh a r d w a r e ) ，即翠于图 彤硬什的通用计算技术的卅现 4 8 1 ，使得某些以往复杂的物理山程求解计算在 g p u 的支持r 能够实现亓行求解计算。同时g p u 也促使实时过程绘制技术 f r e a l t i m es h a d i n g ) 的山现，并涌现山一些基于编译技术的高级绘制浯言如c 譬、 h l s l 、g l s l 等 4 9 1 ，使得人们能够比较容易的编制犟于g p u 运算的处理指令 程序。可以说g p u 的诞生给自然现象模拟实叫技术的实现腱现厂一片曙光。 基j ig p u 的图形处理技术虽然在很人程度i 加速了图形绘制利处理速度， 但它的应川只是近几年的事情，虽然图形显示硬件中已集成了以g p u 为核心的 可编稃图形处理器，能够实现图形处理的并行化训算，但其体系结构决定了它不 可能像c p u 处理器那样具有灵活的内存访问机制，【划此如何将传统的图形汁算 映劓到g p u 处理器中足实现n j _ 编程图形力迷计算的关键所在，也足目前图彤学 领域研究n q 一个重要内存。 针对叫编程图彤硬什加速体系结构，将光照计算映刺到叫并行化处理的纹理 表示，是实现复杂光照实时训算的一种有效策略，水文就三种典型的复杂局部光 照模型c o o k t o r r a n c e 模型、a s h i k h m i n 模型和b s s r d f 模型的光照计算分别进 行r 分析研究，并依据g p u 并行处理机制，分则提出_ r 相应的加速算法。针对 大空光照利大空透视光照这室外自然光光照计算，本文深入研究了人7l 散荆光 照计算模型，亓提m 了基j g p u 处理的实时光照计算算浊。另外，作存刈p e r l i n 噪声函数和p e r l i n 流速噪声函数实时处理进行了研究，噪声函数是图形学领域模 拟自然现象的非常有力的r 具，本文提出_ r 一种采用纹理汁算的快速噪声生成算 法，并以此实现_ r 火焰这一自然现象的实叫模拟。 基j ig p u 的图形处理技术利数值亓行计算技术足目前国际计算机图彤学 领域研究的热t 、问题，相信随着其硬什体系结构的不断发展利新型算法的不断涌 现，实时1 2 然现象模拟技术一定会有一个灿烂的明天。 1 3 本文主要研究工作和创新之处 本文主要研究犟于可编程图形硬件加速复杂光照的实时汁算以及自然现象 交互实时模拟的软件算法和相关技术。研究思路是从分析现代可编程图形显示硬 什的力迷机制卅发，钊划复杂局部光照模型提m 面向g p u 亓行化运算的预处理 机cr l f h 实时绘制算法，针对大气光照散射模型提山实时训算处理模型，并针对图 形学中应川非常广泛的p e r l i n 噪声函数和p e f l i n 流速噪声函数进行了细致的分 析，提出厂犟于图形硬件加速的生成算法。 本文的主要研究工作利创新之处如r ： 1 南j i 叫编程图形显叫i 硬什的提m 改变了以往固定绘制图形流水线d i i 逃机制， 可以直接存完成图形光棚化操作以后实施光照计算，即能够实现逐像素光照 处理，小文针对叫i n l 纹理映射这一典型的逐像素光照训算需求，分析了基于 硬件实现的算法流程，并分别采用纹理绘制方法、寄存器混合器方法和c g 高级绘制语言实现了_ l r l 凸纹理映剿实时绘制。逐像素光照处理能够极人提高 绘制图像的质量。 2 双向反射分布函数- - b r d f 刻画了f 1 标利料粗糙表面的窄间光散射特性，f 1 自口常用的b l i n n p h o n g 近似光照模型并1 i 符合b r d f 性质。本文分别针对 c o o k t o r r a n c e 光照模型利a s h i k h m i n 光照模型，提出了基十延时光照i 内实时 光照计算力法和华于纹理分解的实时光照汁算方法，并通过g p u 处理程序实 现了这两种复杂光照模型的实时计算绘制。 3 双向曲面散刺反劓分布函数- - b s s r d f 刻画了具有定透明度材料表面利内 部光线散射特忡，其描述方程非常复杂，水文通过分析b s s r d f 光照计算模 型，提出j ，一种按照被绘制物休厚度实施加权计算的简化绘制算法，算法充 分考虑剑j ，f r e s n e l 项对光照计算的贞献。本文依据g p u 处理机制设计厂= 道绘制算浊，实现了乇石这种半透明物质的实时光照计算。 4 灭窄光照计算和灭窄透视光照计算是视景仿真和窄外光照处理中的关键技 术，小文通过分析大气层对太阳光的r a y l e i g h 散射忡质和m i e 散射忡质，提 出厂华于大气散射物理模刑的光照绘制算法，并结合可编程图形显示硬件的 加速绘制性能，设计并实现厂天空和地场景的实叫光照处理算法。 5 自然现蒙的个显著特n f 足儿随机性，图彤学中描述自然现象随机性的 个 有力工具是p e r l i n 噪声函数和p e r l i n 流速噪声函数，然而它们都存存算法效 率的叫题。针对p e f l i n 噪声函数水文提山了一种采川纹理米表达的方案，将 噪声函数的计算推向g p u 处理，有效降低_ rc p u 和g p u 之间的数据通讯， 并通过g p u 亓行指令实现了它的快速运算处理。针对p e f l i n 流速噪j ：函数， 小文提山了采川网元数描述流场扰动的方法，该方法更加适合g p u 硬件指令 的实现。最后本文采用p e r l i n 流速噪声函数，通过g p u 处理程序分别实现j ， 维和= 维火焰的模拟。 1 4 论文结构 第一章，介绍了小文课题研究7 ，景、f 1 的与意义，分析了f 1 前交_ 艾时白然 现象模拟的研究现状和确的主要技术问题，指出厂本文的主要研究r 作和创新 之处。 第二章，主要介绍与论义研究工作相关的背景知以利主要技术基础，针对光 照训算基础一b r d f 函数，重点讨沦了光照绘制方程和算法模型。针对白然现象 模拟，重点讨论_ r 自然现象模拟技术及其分类，并且综述j ，目的华于g p u 处理 机制交互实时自然现象模拟技术的研究现状。 第二章，介绍了现代n j 编程图形显小硬件的实时绘制技术，亓通过g p u 处 理机制发计并实现了_ l r | 凸纹理映荆的逐像素光照绘制算法。 第网章，详细讨沧了水文所提山的基于延时光照计算的c o o k t o r r a n c e 局a ； 光照模型的实叫计算技术、基于纹理计算的a s h i k h m i n 局部光照模型的实时绘制 技术利玉雕作品i 内丈时绘制技术。 第五审，介纠厂大气光线散射模型及其光照绘制方程，并讨论j ，本文所提出 的基j g p u 的自然光光照计算算浊模型及其实现山浊。 第六章，介绍了p e f l i n 噪j j i 函数和p e r l i n 流速噪j j 一函数的计算模型，在分析 模型算法的基础上，详细讨沧了水文提山的基于g p u 并行训算的噪声函数算法 流程和实现手段，并给出厂火焰模拟的算法构造和实现方法。 第七审，对全文研究r 作进行总结，并对未柬研究r 作做出腱单。 第一草自然现蒙模拟研究基础 第二章自然现象模拟研究基础 自然现象模拟足计算机图形学中具有挑战性的课题之。首先自然现象场景 描述远比传统的几何构造复杂，其次，白然现象总是与复杂的物理模型相关联， 第三，白然现象具有其特殊的绘制过程。f 1 前有关白然现象模拟的研究尚未形成 相对完整的方法休系，主要针对特定的模拟对象构造数据描述和绘制流程，凶此 研究工作比较分散。本文将钊划媳型的自然现象模拟展升研究，本章重。- _ 论述与 论义研究工作相关的理论利山浊基础。其中，第节泔论了自然现象模拟研究的 复杂性；第二节从b r d f 的角度详细讨沧了光照模型及其绘制方程；第三节综述 r 白然现象模拟技术并进行j ，分类；第凹节针对自然现象所存在的计算复杂性， 讨论j ，日6 口犟于可编程图形显示硬件的加速绘制技术的研究现状。 2 1 自然现象模拟研究的复杂性 长期以米，白然现象模拟( n a t u r a lp h e n o m e n as i m u l a t i o n ) 一直是计算机h 形学领域腧的一个挑战性问题，自然现象主要包括自然地形、植被、烟尘、火 焰、水、爆炸、l 刈电、布料等的计算机动画模拟。南j 自然景物般都具有各自 独特的物理规律和绘制特忡，因此传统的几何造型很难适川于白然现象的计算机 数据表达方法。虽然科学家存物理学领域提山了许多白然现象的描述模型，但其 意在探索自然现象的内征奥秘，目的是史好的利用和控制自然，在自然现象模拟 中个1 f 常现实的问题足模拟视觉效果的迎续性利用户的交互控制性，即要求 “看起来象”的视觉效果，例如在飞行仿真中需要构造具有真实感的人地形模型 和灭窄石彩模型，这些模型要求存一定程度上符合物理规律，但并不要求存此基 础之上实施酌j 器的空气动力学特性和酌j 性能特性的模拟计算。华于这样的队 识，征本文研究r _ 将借攀相关的物理模刑，但个拘泥于这些物理模刑的限制。 自然现象模拟研究的复杂性，部分来自j i 物理模拟的需求，如i 所述，自 然现象总是与复杂的物理模型相关联，在物理学领域有关自然现象的研究已经获 得了大量的研究成果，这些成果集中表现存干h 关白然现象物理模型和描述方程的 确定上，这些描述通常具有非线性和随机性的特点，通过对力程的求解人们可以 掌握自然现象某一物理特性的变化规律。典型的物理模拟的求解过程是：白先设 定初始状态参数和边界值条什，然后求解相j 渺的常微分山程或偏微分厅程，市实 第一草自然现蒙模拟研究基础 上这些方程的解析解一般是较难获得的。同时，白然现象的物理模型描述存在着 多样性，例如，犟于统汁物理的近独市粒子系统对粒子动力系统的统汁特性进行 厂捎述；流体动力学建市厂_ 流体运动场的欧拉方程和n a v i e rs t o k e s 方程； 经媳十顿力学刈粒子相空n u 中弹性力和阳尼力建立了求解山程组；现代分数维理 论对不规则和干h 似忡叫题存测度论的基础上建立了分形几何学。凡此等等虽然为 白然现象模