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基于粒子系统的三维云模拟方法及其研究

基于粒子系统的三维云模拟方法及其研究

作者：郭烨旻东北师范大学

学位级别：硕士

在计算机图形学中非规则物体的模拟仿真一直占有着重要的作用,也是计算机图形学中的重要研究方向。从计算机图形学产生到发展至今国内外的研究人员通过不断的研究和实践检测从而提出了多种的非规则物体模拟仿真的建模方法,目前非规则物... 详细信息

在计算机图形学中非规则物体的模拟仿真一直占有着重要的作用,也是计算机图形学中的重要研究方向。从计算机图形学产生到发展至今国内外的研究人员通过不断的研究和实践检测从而提出了多种的非规则物体模拟仿真的建模方法,目前非规则物体的模拟仿真按建模方法的不同,主要分为粒子系统,过程纹理函数,物理过程,应用分形几何技术模拟非规则物体,使用L-系统进行有限次迭代,使用公告板技术模拟非规则物体几种方法。按照上面提出的六种建模方法中的每一种都可以模拟出十分真实的云雾模型,但是无论单独使用哪一种建模方式最终模拟生成的云雾模型它本身的形状都是随机生成的,或者只是模拟出自然界中特定的某种单一的云雾,如果希望模拟生成多种不同类型的云模型,比如同时生成由卷积云和层云相结合的模型就需要使用多种建模方式相结合的方法。当然基于目前的技术使用物理过程的方法可以同时模拟生成出多种不同类型的云模型,能够在结果中产生出不同种类的云相结合的模型,但这需要消耗庞大的时间和空间,而目前的计算机技术以及对应的工作平台还不能充分满足这样的要求。因此在本文中作者通过自己的实践和研究提出了一种基于计算机视觉技术应用粒子系统建模方式模拟三维云模型的方法。使用这种方法可以模拟出自然界中存在的多种不同类型的云,使它们可以同时存在在建立的云雾模型当中。这种建模方式的基本过程是首先应用计算机视觉技术在实地拍摄的不同种类云的图片中提取出其各自的三维轮廓,然后使用粒子系统技术将这些三维轮廓进行填充。在具体的操作过程中,我们首先是在云图中提取出不同种类的云的二维形状;然后应用计算机视觉技术将这些二维的云雾轮廓扩充到三维的空间生成一个存在在三维空间当中的云模型;最后使用粒子系统的方法将该三维空间填满。在这一过中所填充的每个粒子都应该具有透明度、颜色、密度和半径等属性,而在后期的修补当中通过调整云粒子的不同属性,最终产生出不同种类的云的模拟效果。本文应用粒子系统与纹理过程函数相结合的方法对自然景物中的云雾模型进行模拟,在具体的模型绘制过程中应用纹理映射和Billboard技术来实现,从而提出了一种多种建模方式相结合的模拟不规则物体的全新方法。

关键词：云模拟计算机视觉技术粒子系统纹理映射公告板技术

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基于分形方法的动态云模拟

基于分形方法的动态云模拟

作者：郑磊哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

计算机图形学理论和虚拟技术的发展,使得人们逼真的模拟身边的这个世界成为可能。巍峨的高山,葱翠的林木,婉延的河流等都可以栩栩如生的展示在人们眼前。在对自然环境的模拟中,天空的模拟是一个重要的领域。天空模拟的成功与否,关系着... 详细信息

计算机图形学理论和虚拟技术的发展,使得人们逼真的模拟身边的这个世界成为可能。巍峨的高山,葱翠的林木,婉延的河流等都可以栩栩如生的展示在人们眼前。在对自然环境的模拟中,天空的模拟是一个重要的领域。天空模拟的成功与否,关系着整个虚拟系统真实感的层次。虽然有些虚拟环境以地面的景物作为主要内容,天空背景只是陪衬,但随着技术的发展和使用对象要求的提高,高质量的生成天空背景成为必然的发展方向。天空的模拟,实际上就是对于天空中云的模拟,基本所有气象现象,如阴晴雨雪都是通过云的状态来表现的。本文的研究目的就是在于模拟天空中的云,以丰富虚拟现实领域对自然界的模拟。本文在云的模型选择上,采用了对于表面纹理模拟效果很好的分形方法。分形方法在模拟表面具有自相似性的自然景观方面很有优势,只需要增加迭代的次数就可以得到非常复杂的纹理效果,这一点与云纹理的表面特点很相拟。本文中选用了典型的分形方法,中点位移和Diamond-Square方法进行云表面纹理的模拟,并设置纹理粗造度,云粗造度,迭代次数等参数对云纹理进行控制。一些要求较低或是对生成效率要求高的场合可以通过减少迭代次数或降低粗糙度的方式解决。通过输入不同参数的实验,分析效果,使用本文中方法生成的云纹理效果逼真,真实感强。如果只是静态的云,无论纹理真实感多强,也给人单调的感觉,这种方式已经很少使用。取而代之的是,一些实现动态效果的方法,如粒子系统,元胞自动机等方法。本文中对云动态的模拟,使用了成熟的Direct3D纹理映射技术,该技术相对于传统的OpenGL方法,主要提高是在速度方面,相应的在显示效果方面也有所提升。具体的方法是,首先使用分形方法生成的二维纹理图片,然后使用生成的纹理图片作为纹理映射的源数据,加入移动效果,改变纹理粗糙度,最后实现了云飘动的效果。这一技术的采用大大简化了建模方法并且光照手段的应用也简单了很多。使用分形技术和纹理映射技术的结合,充分利用了分形技术细致的纹理效果和纹理映射技术速度快效率高的特点。本文中使用的两种方法,在其它的一些研究中基本上都是使用其一,或是与其它方法相结合,类似将这两种方法合二为一的使用方式还没有发现。目前该方法虽不具备描述内部粒子碰撞的效果,不过还是很好的表现了云的整体效果。通过实验证明,本文所提出的动态云模拟算法画面显示流畅,简单快速、效率高,实时性强的特点,可以满足游戏场景等动态天空背景的需要。

关键词：云模拟分形纹理映射

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基于元胞自动机的自然云模拟

基于元胞自动机的自然云模拟

作者：孙田子山东师范大学

学位级别：硕士

自然现象的模拟是近十几年来计算机图形学的一个重要研究领域,自然景物的渲染是图形学技术研究中的一个重点和难点之一,如何构造结构复杂、形态变化的物体是计算机图形学的一个新课题,而其中云的模拟已经成为一个研究的热点。鉴于传统... 详细信息

自然现象的模拟是近十几年来计算机图形学的一个重要研究领域,自然景物的渲染是图形学技术研究中的一个重点和难点之一,如何构造结构复杂、形态变化的物体是计算机图形学的一个新课题,而其中云的模拟已经成为一个研究的热点。鉴于传统的集合建模方法难以有效的对云这种形状毫无规则并且动态变化极其复杂的物体进行描述等问题,本文选用元胞自动机模型为基础,通过结合流体力学中关于描述像云这种无规则物体等方面的介绍,在云的建模方法、动态模拟以及光照模型三个方面进行了改进研究。本文的研究内容主要包括: 1.基于元胞自动机的云的建模通过对元胞自动机模型的研究,利用其简单、高效等的特点,结合云的物理现象,将元胞自动机应用于自然云的建模中,初步实现了自然云的模型建立,一定程度上提高了建模的速度。提出了一种基于元胞自动机的云的状态转变规则,该规则以真实世界中云的特征转变为基础,对云的产生加以控制,使模型的建立符合自然云的状态转变规律。 2.结合数学物理方程研究了动态的自然云实现方法。在对流体力学中关于描述像云这种无规则物体等方面有了一定的研究的基础上,提取出影响云的运动的几种自然因素以及它们的影响方式,提出了利用元胞自动机模型对云的动态现象进行模拟的方法。该方法能够结合自然云运动的物理原理,使用元胞自动机的状态转变规则进行实现,有助于提高模拟的真实感。在真实世界中,云的高度会对风的大小产生影响,从而影响其被动的运动;而外界环境中的浓度,温度以及产生的对流扩散等都会使其发生内部的扰动变化。在数学物理方程中,对这些变化和影响都有着较为成熟的研究。而结合已有的数学物理方程,构建出基于元胞自动机模型的状态转变规则,使得云的动态模拟即具有真实性,又不失速度。 3.对自然云的光照渲染进行了深入的研究在自然界中,光线在介质中的传播通常会产生反射、折射、衍射、散射等现象,在云中的传播也不例外。将云看成一个个小粒子,各个粒子所接受到的光线以及由此产生的反射、散射等现象会产生相互影响,并进一步影响所接受到的光线的强度,因此,光线在云中的传播是一个复杂而反复的过程。在光线传播的简化过程中,产生了多重散射和单向散射两种理论。在本文的研究过程中,在不失真实性的前提下,将其进一步简化,采用前向为主的多重散射和单向散射相结合的方法进行光线的渲染。在光线由光源传播到云的过程中,采用前向为主的多重散射模型,即真实的表现出了光线在云中的各种传播路径,又由于对其产生的极小影响的光线进行了弱化忽略,提高了计算速度;在计算光线由云团传播到视角的过程中,采用单向散射技术,满足了真实性和速度两方面的需求。本文中采用元胞自动机模型进行模拟,结合云的各种物理特性,从而得到了动态的,真实感强的自然云的模拟,在真实感和速度上均取得了比较满意的结果。

关键词：元胞自动机云模拟风力函数大气压光照

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基于物理模型的实时三维云模拟

基于物理模型的实时三维云模拟

作者：岳望吉林大学

学位级别：硕士

本文基于计算机流体模拟方法,依据大气动力学方程和积云物理特点对基于计算机流力学的云模拟模型进行了改进,实现了具有较强真实感的实时动态积云模拟。在云的视觉形态上,克服了圆柱形、十字形等前人云模拟的形态缺憾。物理模型方面的... 详细信息

本文基于计算机流体模拟方法,依据大气动力学方程和积云物理特点对基于计算机流力学的云模拟模型进行了改进,实现了具有较强真实感的实时动态积云模拟。在云的视觉形态上,克服了圆柱形、十字形等前人云模拟的形态缺憾。物理模型方面的改进主要有:根据积云动力特点加入粘性项,使模拟更趋近于物理真实。根据大气动力原理改进了热浮力,得到逼真的飘散效果。在光照模型中加入单散射影响。动画控制方面的改进主要有:1、对云源头生成的图形控制。逼真地模拟出云物理中的个体生长特性(Ontogenetic Model),使模拟效果更贴近积云形态特征。2、在三维场景中实现了独立积云云朵运动,模拟出积云飘动的效果。3、通过实现多实例,模拟出积云的结合、分离现象。最后,将微观云模拟加入宏观三维场景,模拟了户外云层场景。在实现上得益于GPU的图形加速及GPGPU技术,使用完全基于GPU的图形流水线,实时模拟多个基于物理模型迭代计算的云的较大负载充分利用了GPU的并行计算性能。

关键词： GPU 云模拟物理模型实时渲染动画控制策略

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基于计算机视觉和粒子系统的三维云模拟

中国体视学与图像分析 2008年第1期13卷 59-62页

作者：龚琳王善斌顾大权镇江船艇学院模拟中心江苏镇江212003 解放军理工大学气象学院江苏南京211101

云是很常见的一种自然现象,真实感云的模拟是计算机图形学领域具有挑战性的研究课题。文章提出了一种基于计算机视觉和粒子系统的三维云建模方法。首先利用计算机视觉技术从现有的二维云图像中提取云的三维信息,然后利用粒子系统填充该... 详细信息

云是很常见的一种自然现象,真实感云的模拟是计算机图形学领域具有挑战性的研究课题。文章提出了一种基于计算机视觉和粒子系统的三维云建模方法。首先利用计算机视觉技术从现有的二维云图像中提取云的三维信息,然后利用粒子系统填充该三维空间,最后通过纹理映射和B illboard技术实现三维云的绘制。与以往云建模方法相比,该方法简单、实用,适用于模拟不同种类的云,如层云、积云、卷云等。

关键词：云模拟计算机视觉粒子系统

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基于分布函数的空天场景中各向异性散射云的模拟与绘制

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基于分布函数的空天场景中各向异性散射云的模拟与绘制

作者：马英燕山大学

学位级别：硕士

受国家“863”计划项目“空天XXXX”的资助,研究空天战场的仿真。本文是该项目的子课题,研究空天漫游系统中云的建模与绘制。云作为空天战场环境的重要组成部分,对环境模拟结果的真实性有很重要的影响。然而空天战场仿真是一个巨大而复... 详细信息

受国家“863”计划项目“空天XXXX”的资助,研究空天战场的仿真。本文是该项目的子课题,研究空天漫游系统中云的建模与绘制。云作为空天战场环境的重要组成部分,对环境模拟结果的真实性有很重要的影响。然而空天战场仿真是一个巨大而复杂的系统,有很多的构成要素,云的仿真必须占用很少的资源;由于云形成的物理过程极其复杂且形状变化多样,因此模拟出满足空天战场环境中形状多样且实时性高的云就显得非常的有意义。首先,针对粒子系统模拟云实时性低的问题,提出使用分布函数的云建模方法,通过设置不同分布函数控制粒子属性,使用轨迹函数控制粒子消亡从而控制云的形状,解决粒子系统建模过程中由于粒子数量庞大及运动规律难以提取对系统实时性的影响。其次,针对光在云层中传播路径复杂、纹理数据计算量大的问题,引入基于阴影关联表和变形球光照纹理数据库的表查询技术,在预处理阶段把相应的纹理进行计算并存储在阴影关联表中,绘制时通过索引查询方式获取纹理数据,缩短绘制时间。然后,在实时绘制阶段采用面片纹理+Impostor纹理方式进行绘制,以满足不同视点距离对云细节度的要求;对使用Impostor纹理所产生的缩放错误进行修正,为表现光在云层中的各向异性散射特性,对散射相位函数进行优化,实现云粒子的多重各向异性散射。最后,利用VC++及OpenGL编程工具在普通PC机上,设计了单一云的绘制及加入云后的空天漫游系统。实验表明:所生成的云真实性较好,绘制效率高,可以满足空天战场环境中的应用。所做工作对云模拟过程中真实性与实时性等问题进行了探索与确定,对于空天战场环境的模拟具有重要的意义。

关键词：云模拟空天战场仿真分布函数表查询相位函数 Impostor纹理

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2004年冬春季中国地区云的模拟分析

高原山地气象研究 2008年第3期28卷 21-26页

作者：王知田李昀英陶恒锐中国人民解放军理工大学气象学院南京211101

文中利用卫星和地面观测资料分析了中国地区总云量和低云量的分布及华南沿海、华东地区和北方地区的云量垂直分布。利用CREM模式模拟了中国地区的云量,并初步分析了模拟误差的原因。模拟表明,模式能较好地再现中国地区云量水平和垂直分... 详细信息

文中利用卫星和地面观测资料分析了中国地区总云量和低云量的分布及华南沿海、华东地区和北方地区的云量垂直分布。利用CREM模式模拟了中国地区的云量,并初步分析了模拟误差的原因。模拟表明,模式能较好地再现中国地区云量水平和垂直分布的形势和演变趋势,但对总云量和低云量模拟系统性偏小20%,且模拟的华南沿海云量垂直分布大值中心偏低。初步分析认为这种云量大小的误差是云量诊断方案的经验系数值不适当引起的。

关键词：中国地区冬春季云模拟云量诊断方案

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基于分形方法的动态云模拟

民营科技 2017年第1期 78-78页

作者：郑磊殷萍哈尔滨市第73中学校哈尔滨第69中学校哈西校区

计算机图形学理论和虚拟技术的发展,使得人们逼真的模拟身边的这个世界成为可能。本文的研究目的就是在于模拟天空中的云,以丰富虚拟现实领域对自然界的模拟。在云的模型选择上,采用了对于表面纹理模拟效果很好的分形方法。方法上选用... 详细信息

计算机图形学理论和虚拟技术的发展,使得人们逼真的模拟身边的这个世界成为可能。本文的研究目的就是在于模拟天空中的云,以丰富虚拟现实领域对自然界的模拟。在云的模型选择上,采用了对于表面纹理模拟效果很好的分形方法。方法上选用了典型的分形方法,中点位移和Diamond-Square方法进行云表面纹理的模拟。使用本文中方法生成的云纹理效果逼真,真实感强。如果只是静态的云,也给人单调的感觉。通常使用动态效果,如粒子系统,元胞自动机等方法。对云动态的模拟,使用了成熟的Direct3D纹理映射技术,该技术相对于传统的0penGL方法,主要提高是在速度方面,相应的在显示效果方面也有所提升。

关键词：云模拟分形纹理映射

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三维动态云的模拟

三维动态云的模拟