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基于GPU的实时云景渲染技术的实现

作　者: 戴玺
导　师: 何明耘
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 脚本系统 GPU 元胞自动机多重散射 Point Spirit
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 92次
引　用: 1次
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内容摘要

随着计算机硬件的不断提升,游戏、影视、动画等行业中的各种图形应用软件功能越发完善,虚拟现实技术逐渐成为计算机图形学研究的主要研究内容之一。在虚拟现实研究领域中自然景物的虚拟场景模拟是不可或缺的一部分,自然景物模拟,如河流、大海、云景等的模拟,是虚拟世界中真实感体现的一个亮点,然而自然景物具有运动性,复杂性,随机性等特点,这些自然景物并不能通过简单的几何体建模创建而成,往往需要考虑复杂的物理模型以及光照模型,以动态行为来模拟实现。本论文针对云景渲染技术,通过GPU编程,以插件方式实现数字媒体内容创作平台中的一个功能模块;并设计该平台上的脚本系统,通过脚本系统完成对云景模拟的动态配置。在系统分析了云景模拟相关理论与实现技术的基础上,论文首先讨论了数字内容创作平台的架构设计,以及系统组成。然后进一步设计了相应的脚本系统,通过脚本系统封装,实现对功能模块的动态调用。系统具有良好的层次性,封装性,易理解性。最后,在云景建模阶段,采用可编程管线实现了基于元胞自动机的实时云景渲染模拟,并对逻辑变量的转换规则进行了添加,使云层的消逝模拟只发生在边界区域,增加了其真实性。在光照阶段,采用多重散射光照模型模拟云层所受光照作用,引入光照关联表和关照纹理数据库加速计算。在渲染阶段,采用Point Spirit技术,减少了系统内存消耗,提高了程序执行效率。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章引言  9-14
  1.1 引言  9
  1.2 课题背景  9-10
  1.3 国内外研究现状  10-12
  1.4 本文主要研究工作  12
  1.5 本文的章节安排  12-14
第二章相关技术  14-25
  2.1 DirectX 图形库  14-18
    2.1.1 DirectX 功能组件  15-16
    2.1.2 Direct3D 体系结构  16-17
    2.1.3 Direct3D 的基本功能  17-18
  2.2 GPU 编程概述  18-24
    2.2.1 可编程流水线  18-21
    2.2.2 顶点渲染  21-22
    2.2.3 像素渲染  22-24
    2.2.4 渲染语言  24
  2.3 本章小节  24-25
第三章云景渲染算法  25-44
  3.1 基于粒子系统的云景渲染算法  26-27
  3.2 基于Perlin 噪声的云景渲染算法  27-32
    3.2.1 基于Perlin 噪声云景建模  27-30
    3.2.2 基于Perlin 噪声纹理的云景渲染  30-32
  3.3 基于元胞自动机的云景渲染算法  32-37
    3.3.1 云的形成模拟  33-35
    3.3.2 云的消逝模拟  35
    3.3.3 风力场的模拟  35-36
    3.3.4 连续密度计算  36
    3.3.5 模拟过程的渲染  36-37
  3.4 基于物理模型的云景渲染算法  37-41
    3.4.1 云的动态模拟  38-41
  3.5 云的渲染与光照模拟  41-42
  3.6 云景渲染方法对比分析  42-43
  3.7 本章小节  43-44
第四章数字内容创作平台  44-57
  4.1 平台系统架构  44-46
  4.2 系统主要模块构成  46-50
    4.2.1 内存管理模块  46-47
    4.2.2 数学基础模块  47
    4.2.3 资源管理模块  47
    4.2.4 图元管理模块  47
    4.2.5 场景管理模块  47-48
    4.2.6 渲染管理模块  48-50
  4.3 脚本系统的设计与实现  50-56
    4.3.1 脚本系统总体框架设计  50-51
    4.3.2 关键模块的静态模型  51-54
    4.3.3 嵌入脚本实现  54-55
    4.3.4 实验结果  55-56
  4.4 本章小节  56-57
第五章云景渲染模块的设计与实现  57-80
  5.1 模块设计目标  57
  5.2 数字内容创作平台插件管理  57-60
  5.3 云景渲染模块框架  60-62
    5.3.1 云景渲染模块在系统中位置  60
    5.3.2 云景渲染模块的框架设计  60-61
    5.3.3 云景模块和数字内容创作平台的交互  61-62
  5.4 基于GPU 云景模拟的设计与实现  62-70
    5.4.1 云景模拟的数据组织  62-64
    5.4.2 云的形成模拟  64-65
    5.4.3 云的消逝模拟  65-69
    5.4.4 平滑处理  69-70
  5.5 光照的计算与模拟  70-75
    5.5.1 基本光照计算模型  70-71
    5.5.2 光线散射模型的设计与实现  71-75
  5.6 动态云景的渲染  75-78
    5.6.1 Billboard 技术与Point Spirit 技术对比  75-77
    5.6.2 基于Point Sprite 技术的云的渲染  77
    5.6.3 云景渲染模块和脚本系统的交互  77-78
  5.7 最终试验结果与性能分析  78-80
第六章总结和展望  80-81
致谢  81-82
参考文献  82-85
攻硕期间取得的研究成果  85-86

基于GPU的实时云景渲染技术的实现

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