真实感雪场景模拟技术的研究与实现

论文摘要

真实感自然场景模拟技术一直以来都是计算机图形学领域的热点研究问题，而真实感雪场景模拟技术则是其中一个重要的组成部分。雪场景模拟技术的研究不仅在计算机图形学和虚拟现实等领域中有着重要的意义，而且在大气气象学、航空航天和影视动画等领域也具有重要的实际意义。基于上述现状，论文课题以目前国内外研究成果为基础，在采用粒子系统对雪花建模的基础上，对降雪过程和积雪过程模拟技术进行了深入的研究，努力增强显示真实感和提高计算速度。论文主要研究内容与成果概括如下：（1）基于经典的流体力学方程Navier-Stokes方程和风场自身特性建立了空间风场模型，并给出了完整的风场模型求解步骤，最后将该模型应用于场景中物体的周围，模拟出了物体周围的风场轨迹。（2）采用粒子系统实现了雪花的建模，针对雪花降落过程进行了完整的受力分析，建立了在风场作用下粒子的运动模型。基于人体视觉深度原理对大量粒子在发射器中初始分布进行优化，并引入了双向分层的设计思想和回收机制，从而在不影响显示效果前提下进一步提高了系统的计算和显示效率。在此基础上最终实现大规模降雪场景的真实感实时模拟。（3）在识别和构造积雪面的基础上，通过对粒子着落点的快速计算来统计积雪量以生成最终的高度场，基于高度场数据采用两种策略分别对地形表面和场景中的物体周边积雪进行绘制和渲染，以获得具有真实感积雪场景的模拟效果。上述真实感雪场景的模拟算法都已在原型系统进行了实现，原型系统的算例结果验证了本文研究成果的正确性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 真实感自然场景模拟技术概述
• 1.2 真实感雪场景模拟技术概述
• 1.2.1 降雪场景的模拟
• 1.2.2 积雪场景的模拟
• 1.3 论文研究内容、技术路线、目的和意义
• 1.4 论文体系结构
• 第二章 风场的建模和计算
• 2.1 引言
• 2.2 Navier-Stokes 方程和风场模型的建立
• 2.2.1 Navier-Stokes 方程简介
• 2.2.2 基于 Navier-Stokes 方程的风场模型
• 2.3 风场模型的实现
• 2.3.1 离散化
• 2.3.2 平流项的计算
• 2.3.3 压力项的计算
• 2.3.4 无散度速度场的计算
• 2.4 实验结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于粒子系统的降雪场景模拟
• 3.1 引言
• 3.2 粒子系统
• 3.3 基于粒子系统的雪花建模
• 3.3.1 雪花粒子直径的确定
• 3.3.2 雪花分辨率和纹理的确定
• 3.3.3 雪花纹理的映射
• 3.4 雪花降落过程的运动模拟
• 3.4.1 重力的计算
• 3.4.2 浮力的计算
• 3.4.3 上升力的计算
• 3.4.4 旋转力的计算
• 3.4.5 最终移动模型的建立
• 3.5 粒子系统的优化
• 3.5.1 粒子发射器的优化
• 3.5.2 粒子降落过程的优化
• 3.5.3 雪花粒子生命周期的判断
• 3.6 实验结果分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 动态积雪的模拟
• 4.1 引言
• 4.2 积雪表面的构造
• 4.2.1 积雪表面的识别
• 4.2.2 积雪表面的网格化
• 4.3 积雪高度场的计算
• 4.3.1 风场因素
• 4.3.2 确定着落点
• 4.3.3 稳定性检测
• 4.3.4 物体表面因素
• 4.3.5 基于预处理的实现策略
• 4.4 积雪面的渲染
• 4.4.1 地表积雪绘制
• 4.4.2 物体周围和上表面积雪绘制
• 4.5 实验结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 原型系统的设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 系统模块的总体设计
• 5.3 原型系统的总体实现
• 5.4 原型系统综合算例结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 进一步研究的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间公开发表论文
• 致谢