基于气象数据的三维云仿真技术研究

论文摘要

云作为一种形成过程复杂的自然现象,对标准计算机图像生成技术产生了巨大的挑战,因为云没有明确定义的表面和边界。除此之外,云包含了不同程度的半透明,其晶体结构可随时间的变化而变化。目前存在的一些云仿真方法,尽管产生了不错的视觉效果,但它们多依赖于复杂的数学模型,这些模型会因单幅图像输出产生很高的计算成本。因此对高效且具有真实感的云仿真方法的研究是目前计算机图形学领域最具有挑战性的课题之一。本文针对自然场景中云的仿真技术进行研究。主要从两个方面进行:云的形态仿真和云的光照效果仿真。主要研究工作及成果如下:1.使用体绘制方法中的Ray Casting算法绘制三维云景,其中使用光栅化求交,提前光线终止法等加速技巧,并采用硬件(GPU)加速的方式完成整个绘制过程,提高了云景的渲染速度;2.本文提出一种对云表面进行随机扰动的方法,具体做法是根据3D Perlin函数生成随机噪声,并将其做成纹理,加入到采样过程中,与原体纹理进行不同比例的融合。通过该方法使得绘制出的云面更柔和,细节展现得更好;3.为了提高用户对Ray Casting算法绘制出的云景的视觉观感,本文对云景分别应用Phong光照模型和Blinn Phong光照模型,并对二者产生的效果作对比发现,两种光照模型均增强了云景的立体感,但效果均偏于艺术化,真实感不强。因而本文提出一种新的光照模型,即将Cook Torrance光照模型与BRDF模型相结合,并运用到云景的绘制过程中。该模型充分考虑材质微平面对光照的影响,与Phong,Blinn Phong光照模型相比,本文提出的新的光照模型在运行效率没有降低的情况下,绘制出的云景真实感更强,细节更丰富;4.本文介绍了基于图像纹理的两种绘制方法。出于系统效率考虑,使用Billboard公告牌技术绘制大规模积云场景。针对传统的Billboard技术做了两点改进:(1)考虑随机性,提出一种随机选择积云纹理贴图的机制;(2)结合真实气象数据,根据待放置云朵位置上的数值大小来判断该位置附近云朵的密集程度。最后绘制出的积云场景更接近真实情况,更加丰富。本文研究三维云的不同绘制技术,在已有的三维数字地球平台开发了一个气象插件。利用真实探测的气象历史数据,通过改进已有的云绘制方法及使用一些增强云景真实感的方法来绘制多种云场景,实验证实绘制出的云景真实感效果有较大的提升。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 云的外在形态仿真相关方法

1.2.2 云的光照效果仿真相关方法

1.2.3 云的动态特性仿真相关方法

1.3 本文的主要工作及结构安排

1.3.1 本文主要工作

1.3.2 本文结构安排

第二章 GPU加速光线投射法的三维云景绘制

2.1 引言

2.2 直接体绘制的理论背景

2.2.1 光传播的物理模型

2.2.2 体渲染积分

2.2.3 离散化求解

2.3 简单光线投射算法

2.3.1 算法原理

2.3.2 三线性插值重采样

2.3.3 数据分类

2.3.4 图像合成

2.4 基于GPU的 Ray Casting算法实现

2.4.1 体数据源及数据格式

2.4.2 算法实现步骤

2.4.3 实验结果与分析

2.5 本章小结

第三章结合随机抖动和BRDF的云景增强真实感绘制

3.1 引言

3.2 基于纹理噪声的随机抖动

3.2.1 生成3D Perlin噪声纹理

3.2.2 利用纹理噪声引入随机抖动

3.2.3 实验结果与分析

3.3 Cook Torrance BRDF光照模型

3.3.1 Phong光照模型

3.3.2 Cook-Torrance BRDF光照模型

3.3.3 本文改进后的算法实现过程

3.3.4 实验结果与分析

3.4 本章小结

第四章随机选择贴图结合实测数据绘制大规模云场景

4.1 引言

4.2 基于图像的渲染方法

4.2.1 Impostor技术

4.2.2 Billboard公告牌技术

4.3 随机选择贴图结合实测数据绘制多种积云

4.3.1 大规模积云场景的实现

4.3.2 实验结果与分析

4.4 本章小结

第五章气象插件开发

5.1 插件的体系结构

5.2 气象插件的功能结构

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简介

1 作者简历

2 攻读硕士学位期间发表的学术论文

3 参与的科研项目及获奖情况

学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 柯玲玲

导师: 秦绪佳

关键词: 加速,噪声,随机扰动

来源: 浙江工业大学

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,计算机软件及计算机应用

单位: 浙江工业大学

分类号: P409;TP391.41

DOI: 10.27463/d.cnki.gzgyu.2019.000412

总页数: 79

文件大小: 5000K

下载量: 40

基于气象数据的三维云仿真技术研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢