大气现象的真实感建模及绘制技术研究

摘要

自然景象的真实感建模与绘制一直是计算机图形学研究的热点和难点之一，它在影视特技、计算机动画、军事仿真、虚拟现实等领域都有非常广泛的应用。大气现象作为一类特殊的自然现象，和我们的日常生活关系密切，是电影、游戏、视景仿真等场合不可或缺的场景元素。但是，由于大气现象本身复杂的物理机制，使得这类现象的建模与绘制成为一个有挑战性的课题。 本文首先介绍了大气现象真实感建模与绘制的研究意义、研究难点及基本的理论和研究方法。然后，综述了已有的大气现象真实感模拟的方法，并对这些方法进行了分析和比较。接下来，本文围绕几类特殊大气现象的真实感建模与绘制展开深入研究，包括：宝光现象的真实感建模与绘制，基于物理的龙卷风现象的建模及其动画，动态云场景的快速建模与绘制及红外云天背景的实时模拟。本文的主要贡献和创新点在于以下工作： ·宝光现象是自然界的一种奇观，它在历史上对中国的佛教文化及旅游业产生过重大影响。本文提出了一种基于物理的宝光现象真实感模拟的新方法。首先基于米氏散射理论提出了水滴的后向散射模型，计算得到宝光环的光谱分布；考虑到太阳高度角、雾中和云中水滴的半径大小及其分布等因素，精确计算得到了宝光环的形状及颜色；然后，根据宝光中摄身光影模糊变形的特点，提出了一种阴影绘制方法来模拟这一现象；再把光谱采样强度转换为相应的颜色表示，并采用了路径散射的场景绘制方法；最后，绘制出了不同大气环境下、不同时刻的真实感较强的宝光场景，从而在计算机中再现了自然界这一神秘而又瑰丽的大气现象。 ·考虑到光照的真实感效果及龙卷风对周围物体的破坏作用，提出了一种基于物理的龙卷风场景真实感模拟的新方法。首先提出了一种二相流模型，对龙卷风的运动进行建模。由于二相流模型的计算复杂度远远大于单相流，为了快速绘制，设计了一种二相流模型求解方法。通过计算龙卷风中尘粒的散射，模拟了较为逼真的光照效果。本文还提出了一种体元断裂模型模拟了龙卷风对周围物体的破坏作用，绘制出了龙卷风卷起行驶中的轿车、摧毁野外的小木屋等场景。 ·提出了一种动态云场景模拟的新方法。首先基于云形成的物理原理对其运动建模。然后，将上述运动模型在稀疏的离散网格上进行数值求解。此时模拟的结果虽然粗糙但可以大致反应云的运动，然后采用求得的速度场作用纹理图片的方法增加云的局部细节。我们采用的是Perlin噪声纹理。再将云的密度纹理和动态更新的噪声纹理的乘积作为最终的颜色纹理。最后，通过变换不同的纹理图片，我们快速绘制了真实感较强的不同光照条件下的动态云场景。 ·基于红外辐射原理，提出了一种红外云天背景实时生成的方法。首先利用粒子系统的方法对红外云的形态进行建模。然后，根据红外大气光学、红外物理学等知识提出了一种云的红外辐射模型。最后，通过硬件加速绘制技术，实时生成了不同视点漫游下红外波段的云天背景。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

第一章绪论

1.1序言

1.2大气现象的真实感建模及绘制

1.2.1大气现象的概念及其分类

1.2.2大气现象真实感模拟的意义

1.2.3大气现象真实感模拟的难点

1.2.4大气现象真实感模拟的基本理论与方法

1.3本文的工作

1.4本章小结

第二章宝光现象的真实感建模及绘制

2.1宝光现象简介

2.2相关工作

2.3宝光环的建模

2.3.1后向散射模型

2.3.2大气组成成分

2.3.3宝光环光谱强度的计算

2.3.4大气的衰减作用

2.4宝光中摄身光影的建模

2.5绘制及结果讨论

2.5.1颜色光谱转换

2.5.2绘制结果

2.6本章小结

第三章龙卷风现象的真实感建模及其绘制

3.1引言

3.2相关工作

3.3龙卷风运动的建模

3.3.1二相流模型

3.3.2数值求解方法

3.3.3龙卷风旋转上升运动的建模

3.4基于GPU的二相流模型求解器

3.5龙卷风场景光照效果的真实感模拟

3.6龙卷风破坏作用的模拟

3.7绘制结果

3.8本章小结

第四章云天背景的真实感生成

4.1引言

4.2相关工作

4.3动态云场景的建模与绘制

4.3.1云的动态运动模型

4.3.2云的运动模型求解

4.3.3纹理生成

4.3.4场景绘制

4.3.5绘制结果及讨论

4.4红外云天背景的真实感生成

4.4.1红外天空背景的建模

4.4.2红外云的建模

4.4.3场景绘制

4.4.4绘制结果

4.5本章小结

第五章总结与展望

5.1本文工作总结

5.2未来工作展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间完成的论文

致谢