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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于粒子系统的动态云的实时模拟 姓名：许函 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：徐海银 20090525 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 自然现象的模拟是近十几年来计算机虚拟现实与系统仿真的一个重要研究领 域，云作为自然现象的一部分，它在气象预测、飞行模拟、户外场景的虚拟仿真等 领域有着很重要的作用。 对云的建模，动画及光照进行研究.。云的形状无规则且运动变化让人捉摸不定， 很难找到一种合适的方法来描述它。基于物理模型的方法能够精确地模拟云，但无 法满足绘制效率。如何在不失真
2、实感的情况下对云的物理模型进行简化且满足实时 性就显得尤为重要。 结合云的物理属性，添加随机控制，给出了一种改进的云粒子系统建模方法。 根据云的不可压缩、低密度、无粘性特点，简化和改进纳维-斯托克斯方程方程，引 入了涡漩控制。计算了云的速度场、压强场。添加密度源，根据速度场计算密度场， 生成了云的密度纹理。为了提高速度，整个过程都在图形处理器中进行。 研究了风力作用下云的运动控制，给出了风力模型和风力作用下云的运动控制 方法，模拟了云的生长、飘动、消散等动态效果。简化和改进了 Mark J. Harris 的光 照模型，生成云的散射颜色。采用体绘制技术和纹理映射技术，模拟了不同时刻， 不同环境
3、中的三维实体云。为加快云的渲染，采用了公告牌技术和视景体裁减技术。 最后，开发设计了云的仿真系统，实现了动态的，真实感强的，实时的云模拟。 关键词： 关键词： 纳维-斯托克斯方程，图形处理器，粒子系统，公告牌技术 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Simulation for natural phenomenon is a very important research area in virtual reality and system simulation in these ten years. As a
4、 part of the natural scene, cloud plays an important role in weather forecasting, flight simulation and virtual outdoor scene simulation, etc. Cloud modeling, animation and lighting have been researched. Since cloud usually has irregular geometric shape and uncertain movements, it is very difficult
5、to find an appropriate method to describe it. The method based on physical process can simulate cloud accurately, but it can not satisfy the demand for rendering efficiently. How to predigest the clouds physical model to meet the requirements of real-time processing and reality preserving becomes pa
6、rticularly important. An improved cloud particle system method is proposed combined with clouds physical properties under stochastic control. Navier-Stokes equation is simplified and improved base on clouds physical properties, such as incompressibility, low density and inviscid, and vorticity contr
7、ol is introduced. Clouds velocity and pressure field are computed. The density texture of cloud is generated by adding density source and computing density field according to velocity field. The whole process is computed in graphics processing unit to increase speed. Motion control of cloud under wi
8、nd has been researched, method of motion control under wind is introduced, processes of growth, fluttering and dissipation of cloud are simulated. Scattering color is generated by improving the illumination algorithm of Mark J .Harris. Three-dimensional volumetric cloud in different time and environ
9、ment is simulated by applying texture mapping and volumetric rendering technologies. To speed up the process of cloud rendering, billboarding and view frustum culling technologies are used. Finally, a system is designed for clouds dynamic, photo-realistic and real-time simulation. Keywords: Navier-S
10、tokes Equation，GPU，Particle system，Billboard Technology 独创性声明独创性声明 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。对论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
11、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。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的研究目的及意义课题的研究目的及意义 随着计算机技术和计算机图形学的飞速发展，虚拟现实与系统仿真正以空前的 规模发展着。它的目
12、标是根据场景的造型、材质和光源分布，生成与真实场景在视 觉效果上相差无几的图像，使观察者有身临其境的感觉。在近几十年来，真实感图 形绘制技术取得了举世瞩目的成就，已广泛应用于计算机辅助设计(Computer Aided Design. CAD)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacture. CAM)、计算机动画、 科学计算可视化、影视制作、媒体广告还有娱乐游戏等领域，它的影响正迅速地向 工业生产和社会生活的各个领域渗透。用计算机来模拟真实的物理世界，也逐渐成 为计算机图形学工作者们所面临的最具有挑战意义的工作之一。 在人们用计算机模拟真实世界的过程中，有一类物体越来越
13、多的受到了人们的 关注无规则形状的物体：如火焰、烟雾、云、水流等等。论文主要以云作为研 究对象，要准确模拟云，必须考虑其背后的物理规律，寻求能准确描述其静态真实 感和运动真实感的数学模型。云作为一种气体现象，其形成是由无数小水滴（颗粒） 随机运动而产生，外观形状极不规则，并随时间发生变化，而且云的各部分透明度 也不同，同时，在云层飘动过程中，还会受到风力的作用，使其发生捉摸不定的变 化，在云的渲染过程中，还要考虑光照对云的影响，如太阳光，云的内部散射，天 空和大地对云的反射。另外，云的规模庞大，不同的观察级别具有不同的细节。云 的这些复杂特性使得在构造它的几何模型时需要大量的数据，且这些数据随
14、机性很 强，计算量相当大，这使得用经典的欧几里德几何学对其描述显得无能为力，如用 直线、多次曲线和样条曲线及曲面等对云进行建模，就会失去视觉上的真实感。虽 然说云是自然界最为常见的现象，并为人们所熟悉，却很少有人能够准确地描述其 形状，因此，如何利用普通的计算机实时地生成令人信服的具有真实感的 3 维实体 云就非常困难。 1.2 国内外研究概况国内外研究概况 目前国内外开展的关于云的仿真研究很多，但它们大部分都是用基于过程的方 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 法生成一幅静态的平面纹理来替代云，或者是通过给一个对象贴上半透明的纹
15、理， 并采用纹理混合技术和添加雾效来模拟云。这些技术已远远满足不了需要。如在飞 行游戏中，希望周围存在着真实的，三维的实体云，并且能够看到穿过云或者云外 的飞行器，异或是在气象模拟中，希望能够完全再现真实的云的运动变化过程，并 以此预测天气变化。 要绘制出具有一定真实感的云，首先要对云的建模和渲染有一定的了解，所谓 云的建模是在计算机中使用一些数据来描述云，并建立合理的数据结构来存储这些 数据。 云的建模方法大致分为两类： 基于个体生长的方法和基于物理过程的方法。基 于个体生长的模型主要是利用视觉形态特征获得云的视觉形状而不需要模拟云生成 或消散的真实物理过程。基于物理过程的模型则考虑与云形成
16、有关的各种因素，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用来进行云的仿真。可 以根据实际需求把两种技术混合在一起建立云模型。 1.2.1 基于个体生长的云建模方法 基于个体生长的云建模方法 （1） 粒子系统模型 早在 1983 年， William T. Reeves 就提出了用粒子系统对一类模糊物体(如云、 火) 建模，取得了较为满意的视觉效果1。1998 年，Matthias Unbescheiden 等人利用粒子 系统，从云的物理原理出发，结合纹理映射技术建立了云的模型，其核心思想是采 用具有纹理的多面体顶点集代替粒子群，大大减少了粒子系统中粒子的数量，从而 使粒子系统的实时仿真能够实现2。20
