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三维云景模拟关键技术的研究与实现

作　者: 苏欧煜
导　师: 朱清新
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 实时渲染 云模拟 耦合映像格子 球谐函数 分片体绘制
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着计算机硬件的快速更新换代,尤其是可编程图形处理单元GPU的诞生,软件产业发生着翻天覆地的变化。这种变化尤其体现在目前的计算机图形学领域。其巨大的影响力不但深入到工程领域帮助改善人类的日常生活,而且开创或延伸了计算机科学的诸多研究领域,比如体绘制、光照模拟、群体动画、通用计算等。在计算机图形学领域,户外真实感场景渲染是举足轻重的一部分,也是体现图形学相关研究工作的精髓。户外场景中,云是大气环境中粉墨重彩的一笔,形态各异,颜色多姿多彩。它是天气样式与气候转变的指示媒介之一,也是影响天空飞行与军事作战等多方面的重要元素。然而,由于云表面的不确定性及边界的模糊性,再加上其形成的物理过程异常复杂,且形态会随时间不断发生改变,因此,其建模与绘制一直被视为计算机图形学中最富有挑战性的研究课题之一。三十多年来,各国研究人员在这个领域提出了许多新的尝试和开拓性的见解,同时在实践中就模拟效率、真实感体现等方面取得了长足的进步。云的真实感建模与绘制技术应用极为广泛,但其所涉及的学科知识及理论异常复杂和晦涩,目前已提出和实践的方法或多或少存在着不足与缺陷。为了满足现今各行各业对云的真实感模拟的需求,同时为了推动我国计算机图形学领域的发展,加强对云的真实感建模与绘制相关技术的研究和实现工作有着极其重要的研究价值和积极的实践意义。本文在第二章介绍了云的真实感模拟所涉及到的混沌原理、云物理学、飞行气象学、大气光学、大气动力学等等知识。在第三章中对三十多年来在云的真实感建模与绘制领域的各项研究成果做出了详细的介绍、归纳和总结。在第四章借鉴和研究前人的相关技术理论和实现算法,并加以总结改善来设计和实现一个三维云景建模与绘制的架构。具体采用基于耦合映像格子的建模方法得出云建模数据,在此基础上采用基于球谐函数的光照模型得出光线分布,最后采用基于GPU的分片体绘制方法绘制出三维云景。最后,本文对当前云的真实感模拟的发展进行了展望,提出了一些值得深入研究的方向。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 引言  10
  1.2 课题背景  10-13
    1.2.1 云真实感场景建模与绘制的产业发展现状及需求  10-12
    1.2.2 虚拟战场仿真的需求  12
    1.2.3 项目背景  12-13
  1.3 国内外研究现状  13-14
    1.3.1 云的形态模拟的研究现状  13
    1.3.2 云的动态特性的研究现状  13-14
    1.3.3 云的光照效果模拟的研究现状  14
  1.4 研究目的与意义  14-15
  1.5 主要工作与创新  15
  1.6 论文的章节安排  15-17
第二章 背景知识介绍  17-29
  2.1 混沌原理介绍  17-18
  2.2 云相关知识介绍  18-28
    2.2.1 云物理学  18-22
    2.2.2 大气动力学  22-24
    2.2.3 飞行气象学  24-26
    2.2.4 大气光学  26-28
  2.3 本章小结  28-29
第三章 云真实感建模与绘制技术  29-44
  3.1 云的建模  29-33
    3.1.1 数值模拟方法  29-31
    3.1.2 启发式方法  31-33
    3.1.3 混合式方法  33
  3.2 云的动态模拟  33-37
    3.2.1 基于大气流体动力学的模拟  34-35
    3.2.2 基于CA 和CML 的模拟  35-36
    3.2.3 基于现象学的模拟  36-37
  3.3 云的光照效果模拟  37-42
  3.4 云真实感建模与绘制技术的总结  42
  3.5 本课题所采用的算法  42-43
  3.6 本章小结  43-44
第四章 三维云景模拟渲染系统设计与实现  44-68
  4.1 系统整体架构介绍  44-50
    4.1.1 系统设计目标  44-45
    4.1.2 系统模块划分及各模块功能概述  45-48
    4.1.3 系统工作流程  48-50
  4.2 基于耦合映像格子的云建模方法  50-53
    4.2.1 云数据建模方法  51
    4.2.2 云数据建模及动态特性模拟的具体实现  51-53
  4.3 基于球谐函数的云光照模拟  53-63
    4.3.1 方法概述  55-58
    4.3.2 基于球谐函数的光传输模型变换  58-62
    4.3.3 基于GPU 的光照模拟实现  62-63
  4.4 基于GPU 的分片体绘制  63-65
    4.4.1 方法概述  63-65
    4.4.2 基于GPU 的绘制框架实现  65
  4.5 实验结果和讨论  65-67
  4.6 本章小结  67-68
第五章 总结与展望  68-71
  5.1 课题研究总结  68-69
  5.2 课题前景展望  69-71
致谢  71-72
参考文献  72-76
攻硕期间取得的研究成果  76-77

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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