一种可行的大规模云层真实感建模及绘制研究

论文摘要

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skybox以及skydome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3D纹理(volume texture)的粒子系统方法和基于层次细节的3D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3D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3D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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 虚拟现实
• 1.1.1 虚拟现实的特点
• 1.1.2 虚拟现实的应用
• 1.2 章节安排
• 1.3 本章小结
• 第二章 相关工作
• 2.1 相关理论分析
• 2.1.1 云层建模方法分析
• 2.1.2 云层渲染方法分析
• 2.2 课题关键技术
• 2.2.1 云层建模中的粒子系统
• 2.2.2 纹理映射技术
• 2.3 系统实时性技术
• 2.3.1 Impostor 技术
• 2.3.2 LOD 技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 课题系统设计
• 3.1 研究背景
• 3.1.1 体积云概念
• 3.1.2 课题来源
• 3.2 Studio 场景编辑系统
• 3.2.1 Studio 场景编辑系统简介
• 3.2.2 Romans3D 图形引擎流程
• 3.2.3 本课题在引擎中的接口实现
• 3.3 本章小结
• 第四章 云层外观建模实现
• 4.1 云层外观建模
• 4.1.1 云层外观模型
• 4.1.2 云层建模流程图
• 4.1.3 云层粒子属性
• 4.1.4 云层粒子的初始化
• 4.2 云层动态模拟
• 4.3 伪代码实现
• 4.4 实验结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 云层光照渲染实现
• 5.1 云层光照模型
• 5.1.1 线性插值法简介
• 5.1.2 云层光照渲染
• 5.2 伪代码实现
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 本课题在 Studio 场景编辑器中的实现
• 6.1 编辑器功能
• 6.2 编辑器界面
• 6.3 本课题在编辑器中的接口
• 6.4 实验结果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 工作总结和展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献