虚拟环境中自然景物模拟研究

论文摘要

自然景物模拟技术是计算机图形学领域具有挑战性的课题,在航空航天、影视广告、室外设计、虚拟培训中有着广泛的应用和关注。由于自然景物几何结构复杂,运动规律不规则,很难用传统的欧式几何的方法来描述,因此目前研究中存在很多问题。雪、雨和云是三种典型的自然景物,在日常生活中随处可见,在虚拟环境中也必不可少。本文主要针对这三种典型的自然景物的模拟进行研究。本文首先分析了自然景物的特点以及由其特点决定的模拟的复杂性,讨论了自然景物模拟常用的几种方法。深入研究了粒子系统理论,结合降雪的特点,对降雪过程进行了基于粒子系统模型的模拟。针对降雪环境的模糊问题和雪花落地的积雪现象提出将雾化效果应用于降雪的虚拟环境中的方法。在雪粒子模型的基础上,结合降雨的特点和空气动力学理论对降雨进行了模拟。对雨滴落入水面形成的水波纹问题进行研究,改进四点水波纹算法,提出适合实时渲染虚拟环境的八点水波纹线性模拟算法。本文设计并实现了基于Perlin噪音的体积云的模拟算法,实现了卷云、积云和层云的模拟。由于Perlin噪音对云的物理活动的模拟还有所欠缺,因此本文设计并实现了基于细胞自动机理论的云的动态模拟算法,实现了云的生成、消失以及风吹云的动态效果模拟。在云的消失过程中引入消失概率变量,解决了云的缓慢消失以及消失后的再生成问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 第一章 自然景物模拟研究理论基础
• 1.1 自然景物模拟研究的复杂性
• 1.1.1 自然景物模拟的特点
• 1.1.2 自然景物模拟的复杂性
• 1.2 自然景物模拟技术分类
• 1.2.1 基于纹理映射技术的方法
• 1.2.2 基于分形几何的方法
• 1.2.3 基于粒子系统的方法
• 1.2.4 基于经验模型的方法
• 1.3 本章小结
• 第二章 基于粒子系统的雪模拟研究
• 2.1 粒子系统理论
• 2.1.1 粒子系统的基本原理
• 2.1.2 粒子系统的形式语言描述
• 2.1.3 粒子系统的基本模型
• 2.2 雪景描述
• 2.3 雪粒子的属性
• 2.3.1 空间位置属性
• 2.3.2 外观属性
• 2.3.3 运动属性
• 2.3.4 生命属性
• 2.3.5 雪粒子的数据结构
• 2.4 雪粒子的运动模型
• 2.4.1 无风时的运动描述
• 2.4.2 有风时的运动描述
• 2.5 雪粒子的渲染
• 2.5.1 二维纹理映射
• 2.5.2 雪粒子纹理映射
• 2.5.3 雾化效果
• 2.6 雪景实验结果与讨论
• 2.6.1 粒子数实验
• 2.6.2 粒子形状实验
• 2.6.3 实验结果分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 基于粒子系统的雨模拟研究
• 3.1 雨滴的属性
• 3.1.1 外观属性
• 3.1.2 其余属性
• 3.1.3 雨粒子的数据结构
• 3.2 雨粒子的运动模型
• 3.2.1 雨滴的行为描述
• 3.2.2 无风时雨滴自由降落运动方程
• 3.2.3 无风时雨滴匀速降落运动方程
• 3.2.4 雨粒子的风场模型
• 3.3 雨粒子的渲染
• 3.4 水波纹模拟
• 3.4.1 水波纹模拟的常用方法
• 3.4.2 线形水波纹模拟算法
• 3.4.3 算法实现
• 3.4.4 效果及对比研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 体积云模拟研究
• 4.1 云模拟的常用方法
• 4.1.1 基于物理模型的方法
• 4.1.2 基于经验模型的方法
• 4.2 云的描述
• 4.3 基于 Perlin 噪音的体积云模拟算法研究
• 4.3.1 Perlin 噪音函数介绍
• 4.3.2 Perlin 噪音函数的构建
• 4.3.3 Perlin 噪音函数的平滑处理
• 4.3.4 Perlin 噪音函数的插值处理
• 4.3.5 Perlin 噪音函数的时间维
• 4.4 基于细胞自动机的体积云动态模拟算法研究
• 4.4.1 细胞自动机介绍
• 4.4.2 云的生成模拟
• 4.4.3 云的消失模拟
• 4.4.4 风吹云的模拟
• 4.5 体积云模拟实验结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 相关辅助优化技术研究
• 5.1 OpenGL 显示列表技术
• 5.2 公告牌技术
• 5.3 可视化裁剪技术
• 5.3.1 可见性剔除技术概述
• 5.3.2 视景体裁剪技术
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章摘要
• 致谢
• 详细摘要