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1、华中科技大学 硕士学位论文 动态天空场景生成算法的研究 姓名：雷鸣 申请学位级别：硕士 专业：系统分析与集成 指导教师：李衷怡 2011-03-01 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要摘 要 在虚拟现实和视景仿真应用中，天空场景的仿真是必不可少的内容。天空背景 的真实感对用户来说能大大提高视觉享受和沉浸感。所以，一个活动的、完整的天 空是体现整个虚拟三维系统真实感所必须具备的。但是目前天空模型的主要渲染方 式还仅仅停留在加载静态图片纹理的阶段上，这限制了天空场景生成的灵活性与真 实感。而目前动态天空纹理的生成方法都存在着动态元素不够的致命缺陷，所以本 文在前人的基础上提
2、出并分析了更完善的动态天空场景生成算法。 本文以天文学、大气物理学与大气光学的基本知识为基础，采取数字图像处理 的技术手段，再辅以大量的实物图片来分析了一个月相周期内各个时间段的天空场 景的动态生成算法。本文的主要内容如下： 1、以场景的时间为轴，以天空场景各个生成元素的属性为研究对象，以各组成 元素合理结合为最终目的，制定了整个动态天空场景生成的主要思路。 2、利用数字图像处理技术生成了天空场景各个组成元素的数字图像，生成结果 很好的体现了各组成元素既定属性。 3、利用数字图像处理技术合理的结合了天空场景的各个组成元素形成了最终的 动态天空场景。 关键词关键词：动态天空场景，数字图像，图层，
3、像素 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Simulating sky-scene is indispensable for virtual reality and scene simulation. The sky background corporeality for users can greatly increase the visual enjoyment and immersed sense. Therefore, an Dynamic, integral the sky scene is to reflect the entire virtua
4、l 3d system must have realistic. But now main rendering ways of the sky model also only stay in loading static pictures texture stage, that limiting flexibility and realism of the sky scene generation. And at present the method of generating dynamic sky textures exist fatal defect that dynamic eleme
5、nts is not enough for the generating dynamic sky .so this paper analyses more perfect dynamic sky scene generation algorithms on the basis of the study of former presents . This paper based on astronomy, atmospheric physics and atmospheric optical basic knowledge as the foundation, adopt digital ima
6、ge processing technology, again complementary with a lot of physical pictures to analyzes a phase of each time period the sky scene dynamic generation algorithms.Main contents of this article are as follows: (1)Based on the scene of time axis, with the sky scene each generation elements attributes a
7、s research object, by various elements with the right for final target, formulate the whole dynamic sky scene generation the key ideas. (2)Using digital image processing techniques generated the sky scene component elements of digital image, generate results very good embodies the constituent elemen
8、ts established attributes. (3)Using digital image processing techniques reasonable combination of sky scene of the component elements formed the ultimate dynamic sky scene. Key words: dynamic sky scene, digital image, map layer,pixel 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论
9、文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日
10、 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究的背景 1.1.1 课题的研究现状 随着信息技术的不断发展，计算机硬件水平的持续提高，虚拟现实技术给人们 带来了越来越高层次的视觉享受和越来越真实的场景体验2。 比如画面越来越绚丽的 3D 游戏，场景越来越逼真的 3D 电影2931。 三维场景的构建是决定虚拟场景真实 感的关键，而天空是三维场景中一个非常重要的组成部分，提高天空背景的真实感 对用户来说能大大提高其视觉享受和沉浸感，这是因为大部分的虚拟场景都是在仿 真引擎定义的天空背景下生成的。所以
11、，一个活动的、完整的天空场景是一个高仿 真度的虚拟三维系统现所必须具备的67。 虚拟场景天空的生成分为两个步骤：首先要构建天空场景的形状模型，即建模。 然后将需要的纹理置于模型之上，即渲染。 目前构建虚拟场景天空形状模型的技术主要分为三种： 1、平板型天空(sky plane)： 在场景上方构建一个平板面，再用接近天空的蓝色清除背景，然后用白色绘制 白云(相当于放一个平板在头顶上)，然后用雾色覆盖远景。平板型天空适用于不太注 重远景的场景。优点是计算量很小。缺点则是比较粗糙，缺乏真实感。平板型天空 的在场景中的几何位置如图 1.1 所示： 图 1.1 平板型天空 华 中 科 技 大 学 硕 士
12、 学 位 论 文 2 2、天空穹(sky dome)： 在场景周围绘制一个曲面或一个半球面罩在虚拟地面上方，然后在曲面上贴上 天空纹理。天空穹适用于对天空真实度要求较高的场景。优点是真实感强，视觉效 果好。缺点是计算量太大。天空穹的面片模型如图 1.2 所示： 图 1.2 天空穹面片结构示意图 3、天空盒(sky box)： 在场景周围构建一个长方体面将场景包围，然后将优质的无缝纹理贴于其上。 天空盒适用于室内和室外小范围移动的场景优点。是效率较高，视觉效果好。缺点 是不适用于大型场景。VEGA 自带天空盒的剖面场景如图 1.3 所示： 图 1.3 天空盒剖面图 天空场景的构建不管采取何种模型
13、构建方法，都离不开天空纹理与天空面片的 结合的渲染过程。目前来看，大部分的仿真引擎对于天空渲染的处理方法就是预先 准备好所有可能要用的天空纹理，然后根据不同的场景要求简单的加载事先处理完 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 毕的纹理贴到天空模型的面片上。这样做不仅影响了整个场景的真实感，更限制了 场景生成的灵活性。由此，虚拟的天空场景若是能够找到动态天空的生成方法，那 么将极大的提高天空场景生成的灵活性和真实感。 1.1.2 课题研究的目的和意义 上节提到动态纹理的生成能够提高天空场景生成的灵活性和真实感。那么目前 关于动态天空生成的方法主要有两种： 1、动态云方式： 动态云又
14、有两种生成方法， 一种是参考文献1中提出的将 Fourier 合成自然纹理 的方法应用于云层生成中，再利用多层雾化技术得到天空动态云1。另一种是参考文 献2中提出的采用定时器和随机函数实时的变换云层纹理的坐标3。然后根据坐标 设置云层纹理的位置。VegaPrimer3.0 动态云在早晨与傍晚的视觉效果如图 1.4 所示： 图 1.4 早晨与傍晚的动态云 这种方法利用动态云体现天空的“活动性” ，增强了天空的真实感。现在 VegaPrimer 仿真引擎就已经引入了动态云技术增强天空的动态性。但是这种方法的 缺点是只能使得天空中的云活动起来，而无法改变天空中的其他组成元素的静态性。 2、数字图像处
15、理3839方式： 参考文献4中提出了依据大气光散射与反射原理得到太阳与天空各个时刻的颜 色变化和亮度特征，再利用数字图像处理技术生成天空 24 小时内各时刻的数字图像 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 4。得到早晨、中午与傍晚的天空场景如图 1.5 所示： 图 1.5 早晨、中午和傍晚的天空场景 相比动态云天空，此方法生成的天空纹理具有更强动态性，因为它使得天空场 景里云和太阳都活动了起来。 显然像这样的尝试生成的天空数字图像的缺点很明显，它只对白天时间段天气 条件良好的天空场景的进行了动态仿真，动态性主要体现在太阳与天空背景的颜色 变化上。但是种尝试也给本文引出了这样一个提
16、示：利用数字处理技术既然能够动 态的生成太阳和云，那也能动态的生成天空场景的其他元素。所以本文以此为契机， 结合天文学、大气物理学与大气光学的基本知识，采取数字图像处理的技术手段8， 再辅以大量的实物图片来研究了一个月相周期内各个时间段的天空场景的动态生成 算法。 1.2 本文的内容安排 本论文内容主要分成六章： 本文第一章首先介绍了虚拟现实场景天空的生成步骤，分析了目前国内外虚拟 现实技术中的关于这些天空生成步骤的处理方法，并结合这些方法产生的实际视觉 效果指出了这些步骤处理方法的不足之处和待完善的地方，并由此引出了本课题研 究的目的。然后简单介绍了本课题研究的技术手段-数字图像处理技术的一些基本概 念与算法。最后阐述了本文的主要内容安排。 本文第二章首先给出生成动态天空场景的一个大致流程，并提出生成动态天空 场景过程中需要解决的问题，然后会分别阐述解决这些问题的大致思路。 本文第三章将结合大量的实物图片、生成效果图片和算法流程图片分别从天体 华 中 科 技 大 学 硕 士
