三维云场景的模拟

第 &卷 第 ,期 ) # # *年 月
解 放 军 理 工 大 学 学 报( 自 然 科 学 版+ 0 b a e 5 p f b c 9 7 ; i5 ‘ j 4 e ^ ‘ _ hb c k l ‘ 4 5 l 4p 5 x8 4 l n 5 b f b g h
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漫游进行了探讨 ’ 首先利用面向对象的粒子系统模 型 对云进行构建 ( 然后通过简单的光照模型及有效 的 绘制算法实现 了 三 维 云 图 的 可 视 化 ( 并加入天空 背 景的漫游系统 ( 生成云的位置和方向能够随用户 漫 游时视点的变 化 而 变 化 ( 可以从各个角度对云进 行观察 ( 大大提高了虚拟场景的逼真程度 ’ 整个三维 云 场 景模拟系统 分 云 模 型 的 构 建 ) 云的绘制和三维 漫游场景可视化 -个独立的部分 ’
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< 8$ : 5 3 =类 主 要 描 述 粒 子 在 三 维 空 间 中 的 位 置’ : 9 " # #< 8$ : 5 3 = E (H (I 7 F 9 3 " 5 G J 类简要描述了粒子的一些基本属性 1 < 2 " = 5 4 : 9 $ : 9 " # #< 2 " = 5 4 : 9 $ E (K (: 7 < 8$ : 5 3 = C 3 # $ 9 3 : 4 5 ; 3 9 3 = 7 F 9 3 " 5 = " % 4 ? # 7 F 9 3 " 5 % $ 6 # 4 5 ; 7 L M ? 4 6 5 5 $ A 5 ? = $ 7 F 9 3 " 5 " 9 C D " J 本系统的静态云团外形的生成是通过随机法生 成的 ( 主要思想是首先构造一个几何三维空间 ( 用数 学函 数表示 出该 三 维 空 间 函 数 表 达 式 ( 然后在这个 三维空间内随机地填充粒子 ’ 由于云形状具有随机 性和多变性 ( 随时可能处于变化中 ( 因此引入扰动函 数 对表 示三维 空 间 的 函 数 值 进 行 随 机 扰 动 ( 这样可 以得到比较真实随意的云团效果 ’ 因为云团是静止 的( 某 一云 团绘 制 完 其 内 部 粒 子 间 的 关 系 则 相 对 固 一定程度上提高了系统的运行速度 ’ 定下来 (
.~ p 5 x_ n 423 4 5 6 7 {4 e 4a ^ 4 x_ b4 5 n p 5 l 4_ n 4b 3 4 e p _ ‘ b 5^ 3 4 4 x ‘ 5 p f f h _ n 4e b p y4 x& !^ z h| p l z g e b a 5 x{p ^
效果的三维天空场景是目前计算机图形学领域的一 个难题 0 从 ) 国内外 研究 人 员 #世纪 & #年代末 到现 在 一直在努力探索云的模拟仿真方法 0 对云的模拟仿 真 一般要 考虑 &个因素 ! - 建模 0 根 据 云 的 物 理 特 性或者通过受控的随机过程来生成表示云的模型数 模拟光与云交互作用 包括光的反射 1 折射和散射等 现象 0/ 绘制 0根据生成的模型数据场 采用适当的 绘制方法生成云的图像 0 云的模拟按照几何维数的差异可分为二维模型 和 三 维 模 型0按 照 建 模 原 理 可 分 为 基 于 个 体 生 长
. 云模型的构建
云的粒子系统模型利用的是一种假想的物理模 主要为了方便地模拟云的形态及运动特征 ’ 粒子 型( 系统是一种简单且有效的不规则模糊物体的建模方
/ , 法* ’ 其基本思想是把物体看成是由大量不规则的
随机分布的粒子组成的粒子集 ’ 每个粒子具有一定 的属性 0 包括外观 ) 空间位置 ) 运动 ) 生存属性等 & 它 ( 们 可 以在不断运 动 和 改 变 形 状 中 ( 来表现景物总体 的外形特征和动态的变化规律 ’ 高性能的粒子系统可以真实地模拟出一些虚拟 场景 ’ 在云的粒子系统设计中 ( 为了方便设计和管理 系统中的粒子 ( 采用了面向对象的设计方法 ( 它与面 向对象中类的概念有些类似 ( 可以当成类来处理 ( 每 个粒子即为粒子类的一个实例 ’ 给每个云粒子赋予 的状态属性有 1 粒子当前在空间中的位置 7 ( 2 3 # 4 5 4 3 6 粒子的运动规律0 静 态 云 则 不 考 虑& ( 7 8$ 9 3 : 4 5 ; 粒子颜色的变化 ( 可以产生一些真实的效果 7 ( < 3 9 3 = 粒子的大小 ( 其影响粒子系统的表现效果及 ( > " % 4 ? # 运行的速度 7 粒子纹理 ( 所设置纹理数目会 ( @ $ A 5 ? = $ 对 粒 子系统的性能产生 巨大 的 影 响 7 融合模 ( B9 C D " 式等 ’ 根据云粒子的各种特性 ( 设计了粒子系统的核 心( 即1 粒子系统类 ’ 云粒子的各种属性都封装在该 类中 ’
粒子的散 射则称 之为 多重散 射光照 模型 ’ 把 光对 +
据包括云的外形 1 运动和物理属性的生成 0 . 光照 0
的方法和基于物理过程( ( + % 25 _ b g 4 5 4 _ ‘ l 9 n h ^ ‘ l p f f h
第 R期
龚
琳( 等 1三维云场景的模拟
Q P O
的方法 ’ 基于个体生长的方法主要是利用人 & ! " # $ % 的视觉形态特征获得云的视觉形状而不需要模拟云 这样渲染速度较快 ’ 目 生成或消散的真实物理过程 ( 前比较成功的方法有分形方法 ) 过程纹理函数方法 ) 细胞自动机方法和粒子系统等 ’ 基于物理过程的方 法主要是通过模拟气象上导致云形成的物理过程以 及光与云的交互作模型 ) 基于流体动力学的数 字 模拟和定性模 拟 等 ( 但由于过大的计算需求还不 适应目前图形学仿真的需求 ’ 本文对三维云模型的构建 ) 光照 ) 绘制及场景的
文章编号 !" # # $ % & ’ ’ & ( ) # # * + # , % # ’ $ * % # ,
三维云场景的模拟
龚
-) 琳" - 顾大权 " - 范
茵" - 徐四林 "
解放军理工大学 气象学院 江苏 南京 ) 解放军镇江船艇学院 江苏 镇江 ) ( " . " " " # " /) . " ) # # & +
摘
要 !为了模拟逼真且实时的三维云场景 把云团看成是受太阳光照射的粒子集 采用基于粒子系统的技
术对三维云模型进行构建 0 通过比较云粒子 1 太阳和视点三者的关系 引入光照散射函数对云进行渲染 0 对 现有的多重前向散射光照模型进行了简化和改进 使用纹理映射和 23 4 5 6 7函数进行加速 0 实现了三维天 空背景的实时漫游 0 仿真结果表明 生成的三维云场景既有较好的真实感 又具有良好的实时性 0 关键词 !云 /粒子系统 /光照散射 /虚拟现实 中图分类号 !8 & $ " : $ /9 ’ ) * . , 9 文献标识码 !;
-p l b 5 ^ ‘ x 4 e 4 x_ b| 4pl b f f 4 l _ ‘ b 5b c 3 p e _ ‘ l f 4 ^ l b f f 4 l _ ‘ 5 gf ‘ g n _ c e b y_ n 4^ a 5 5 x_ n 4_ n e 4 4x ‘ y4 5 ^ ‘ b 5 p f l f b a x{p ^ -p .8 j ‘ 4 {3 b ‘ 5 _{p ^l b y3 p e 4 x 5 x_ n 4^ l p _ _ 4 e ‘ 5 g‘ f f a y‘ 5 p _ ‘ b 5yb x 4 f{p ^a ^ 4 x_ be 4 5 x 4 el f b a x n 44 } ‘ _ ‘ 5 g -p ya f _ ‘ 3 f 4c b e {p e x^ l p _ _ 4 e ‘ 5 g‘ f f a y‘ 5 p _ ‘ b 5yb x 4 f ^{4 e 4^ ‘ y3 f ‘ c ‘ 4 xp 5 x‘ y3 e b j 4 x 5 x_ n 4_ 4 } _ a e 4yp 3 3 ‘ 5 g .8 & % . e 4 p f ‘ " 4 x n 4e 4 ^ a f _ ^^ n b {_ n p _ _ n 4j ‘ ^ a p f 4 c c 4 l _ b c !l f b a x^ l 4 5 4‘ ^_ e a 4_ bf ‘ c 4p 5 xe 4 p f _ ‘ y4 !l /3 /j # K $%C w I J f b a x p e _ ‘ l f 4^ h ^ _ 4 y/^ l p _ _ 4 e ‘ 5 g‘ f f a y‘ 5 p _ ‘ b 5 ‘ e _ a p f e 4 p f ‘ _ h 通过计算机模拟进行仿真实验是计算机图形学 技术在军事领域的具体应用之一 0 在虚拟战场环境 中存在十分复杂的自然景象 如雨 1 雪1 云1 雾1 海浪 等0 这些景象对于虚拟场景的 + 沉浸感 , 有很大贡献 0 在各 种 自然景象 的 模 拟 仿 真 中 云的可视化仿真是 其中具有挑战性的研究之一 0 由于真实的云彩环境 会因为天空和气象状况的不同 变得复杂多变 而且 当光线穿过云体时 存在十分复杂的光线反射 1 折射 和散射等现象 0 因此 要模拟出具有逼真且实时云彩