数值三维云建模与渲染技术的研究

论文摘要

作为自然景物的一个重要组成部分,云的模拟是当今计算机图形学和气象领域的研究热门。云的模拟无论是在真实场景的构建还是在影视动画仿真都起到重要的作用,将模拟的云图加入到模拟场景中能够有效地提高视觉效果,增加虚拟环境的真实感。此外,利用真实的气象数据模拟出的三维云具有丰富的气象信息,能够辅助气象工作者更加方便、直观的观察天气的变化,同时在人工干预天气、天气预测等领域有着至关重要的影响。目前基于气象数据的云模拟技术已经在世界各国气象部门甚至国防领域普遍展开,其技术成果在人类生产生活、社会经济发展以及气象预测和气象武器领域发挥着重要作用。本文基于真实的气象数据开展研究,针对粒子系统建模速度迟缓,碰撞检测速度慢等问题,提出了一种新的基于粒子系统的云建模方法,在保证不影响绘制效果的基础上缩短绘制时间,并且提出了一种新的邻域分析算法加速光线跟踪,降低云模拟过程中的计算复杂度。本文的研究主要包括两个方面:(1)在云的建模方法上,针对粒子系统中碰撞检测计算复杂度高,绘制效率慢等问题,提出了使用二元空间分区树方法将模拟场景划分成若干区域,加快了云粒子与其他物体的碰撞检测效率,同时将具有近似属性的粒子聚集成簇,通过构建粒子簇树来避免对所有粒子进行碰撞检测,一定程度上降低了计算量;利用纹理贴图技术对粒子进行细节纹理的处理,并采用多重前向散射光照模型对粒子进行渲染,模拟光线对云粒子颜色、阴影产生的作用,最终绘制成逼真的云图。(2)在云的真实感绘制上,针对传统光线跟踪算法计算方式复杂,绘制时间长,求交过程计算量大的问题,提出了基于八叉树邻域分析光线跟踪的加速算法。该方法通过八叉树结构改进了数据的存储方式,降低了数据存储的复杂度;利用邻域分析算法加快光线与物体的求交速度,避免了大部分的递归运算,提高了绘制效率;简化了Whitted光照模型中折射光线的计算方式,降低了计算时间;最终结合Vapor和OpenGL实现气象云数据的三维可视化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究目的和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 云的建模方法
•     1.2.2 云的光照模拟
•   1.3 研究内容和方法
•   1.4 论文组织结构
• 第二章 云模拟基础理论
•   2.1 云的形成方式和特点
•   2.2 云模拟的气象数据
•   2.3 云建模的相关理论
•     2.3.1 数值模拟方法
•     2.3.2 启发式方法
•     2.3.3 云建模方法比较
•   2.4 云的基本光照模型
•     2.4.1 光强的计算和相位函数
•     2.4.2 简单光照模型
•     2.4.3 单散射光照模型
•     2.4.4 多次散射光照模型
•     2.4.5 多次前向散射光照模型
•   2.5 本章小结
• 第三章 基于二元空间分区粒子系统的云模拟
•   3.1 粒子系统
•     3.1.1 粒子系统的基本原理
•     3.1.2 粒子系统的基本流程
•     3.1.3 粒子系统的优化分类
•   3.2 基于二元空间分区粒子系统的云建模
•     3.2.1 云粒子系统的建立
•     3.2.2 云粒子碰撞检测优化
•   3.3 基于多次前向散射的云粒子渲染
•     3.3.1 纹理映射
•     3.3.2 Billboard技术
•     3.3.3 多重前向散射光照模型
•     3.3.4 云粒子渲染流程
•   3.4 实验结果及分析
•   3.5 本章小结
• 第四章 基于八叉树邻域分析光线跟踪加速算法的云渲染
•   4.1 三维数据场可视化流程
•   4.2 光线跟踪加速算法对比
•   4.3 基于八叉树邻域分析光线跟踪的云渲染
•     4.3.1 八叉树优化数据存储结构
•     4.3.2 基于邻域分析算法的光线跟踪加速方法
•     4.3.3 基于Whitted全局光照模型的云渲染
•   4.4 实验结果及分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郑义

导师: 谢永华

关键词: 三维云模拟,粒子系统,光线跟踪,邻域分析,光照模型

来源: 南京信息工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 气象学,计算机软件及计算机应用

单位: 南京信息工程大学

分类号: TP391.41;P426.5

DOI: 10.27248/d.cnki.gnjqc.2019.000360

总页数: 53

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