一种大规模真实感雪景实时渲染方法
【专利摘要】本发明公开了一种在流处理器上实现大规模真实感雪景实时渲染的方法。包括雪花模型及其在降雪过程中的运动模型，通过Perlin噪声生成的随机风模型，积雪与融化模型。本发明的新颖之处在于将风的运动速度分为平均风速与随机风速，简化了风场的计算,并将随机风的计算结果存储在3D纹理中，建立了基于GPU的粒子系统，并对上述3D纹理加以应用，从而减轻粒子系统的计算负荷，提高粒子系统的渲染效率。本方法以视觉效果的真实感和渲染效率为主要研究目标，具有速度快，仿真度高，平台兼容性好的优点。
【专利说明】一种大规模真实感雪景实时渲染方法
【技术领域】
[0001] 本发明与计算机图形学有关，随着流计算平台GPU技术的快速进步，为图形 学的发展提供了重要的硬件平台，本发明涉及一种基于流计算平台GPU的大规模真实感雪 景的实时渲染方法。
【背景技术】
[0002] 在计算机图形学领域，自然景物的真实感实时渲染是一个重要的研究方向， 包括天空、水波、云、树、草等自然景物是这类研究的重要对象。自然景物随着四季与地理位 置的不同而各具特色，在较高纬度或高海拔地区，雪景是最常见的自然景象。模拟雪景的变 化是非常具有挑战性的研究课题，其主要原因是雪的累积与融化受风、温度、雪的厚度以及 其它环境因素如阳光直射或处于阴影中等诸多外界条件的影响较大.雪景的模拟可以分 为降雪、累积和融化三个方面。降雪过程的模拟一般采用基于粒子系统的方法，此外，采用 诸如IFFT (Inverse Fast Fourier Transform)和基于纹理技术等其它方法在模拟大规模 降雨、降雪方面也有一定的优势.在先方法[1](参见Langer M S, Zhang L, Klein A W, Bhatia A, Pereira J, Rekhi D. A spectral-particle hybrid method for rendering falling snow. Rendering Techniques 2004 Eurographics Symposium on Rendering. 2004: 217 - 226.)采用一种谱和粒子混合的研究方法来模拟降雪，随着GPU技术的发展， 大规模粒子系统可以通过GPU实现.同降雪过程的模拟相比，雪的累积和融化过程的模拟 更加复杂。依据场景中物体的几何特性，基于过程或物理的方法建立了降雪和积雪模型，并 综合考虑了风的影响。现有的降雪累积方法可以大致分为三大类：基于粒子系统的方法、 基于表面位移技术的方法和基于表面细分技术的方法。基于粒子系统的方法主要是计算 雪花被风吹起后的运动及其在地面的堆积，较早的这类模型通过设置粒子的分布采用变形 球实现；一些对此方法的改进主要是对雪花在风作用下的运动方式的改进，这类改进通过 求解风的动力学特性进而得到了复杂的雪景效果，其方法则是通过求解Navier-Stokes方 程或Boltzmann方程。不同于粒子系统方法，基于表面位移的方法主要是通过计算局部区 域的可达性和遮掩性（Occlusion)求解积雪的厚度。表面细分技术则是通过将积雪的表 面进行细分，从而使得积雪的表面更加平滑.在先方法[2] (FestenbergN, GumholdS. A geometric algorithm for snow distribution in virtual scenes. Proceedings of Eurographics Workshop on Natural Phenomena 2009: 15 - 25.)米用一种高度跨越映射 (Height span maps)的方法，用于实现颗粒材质如沙等的模拟，已被证明是一种高效的积 雪模型.不同于在先方法[1,2]，本发明重点是实现一种实时渲染大规模雪景的方法，并 不考虑其物理的真实性，而以视觉效果的真实感和渲染效率为主要研究目标。
【发明内容】
[0003] 现代流计算技术为基于GPU的大规模真实感体积云实时渲染提供了良好的平台 和巨大的灵活性。本发明建立一种在流处理器上实现大规模真实感雪景实时渲染的方法， 解决视觉效果的真实感和渲染效率之间相互制约的问题.本发明的大规模真实感雪景实 时渲染的方法首先建立雪花模型及其在降雪过程中的运动模型；其次将风的运动速度分为 平均风速与随机风速，简化了风场的计算，通过Perlin噪声生成了随机风，并将计算结果 存储在3D纹理中，从而减轻粒子系统的计算负荷；第三，建立积雪与融化模型，实现雪的积 累和融化的|吴拟；最后建立基于GPU的粒子系统，提1?粒子系统的?宣染效率. 本发明的基本原理如下： 一、 雪花的运动模型.雪花在从开始形成直至其降落到地面形成降雪的整个过程中， 一直受到四种力的作用：浮力、重力、升力以及阻力，浮力与重力方向相反，两者皆为常量， 升力与阻力则随着风向的变化而变化，浮力与雪花所排开的相同体积大气的重量相等，重 力则是雪花所受到的地球引力的大小，由于雪花所受到的浮力与其重力相比非常小，对于 雪花的运动影响不大，可以忽略不计，雪花受到的力可由公式（1)计算
【权利要求】
1. 一种在流处理器上实现大规模真实感雪景实时渲染的方法，其特征在于所述方法 为： 雪花的运动模型，雪花在从开始形成直至其降落到地面形成降雪的整个过程中， 一直受到四种力的作用：浮力、重力、升力以及阻力，浮力与重力方向相反，两者皆为常量， 升力与阻力则随着风向的变化而变化，浮力与雪花所排开的相同体积大气的重量相等，重 力则是雪花所受到的地球引力的大小，由于雪花所受到的浮力与其重力相比非常小，对于 雪花的运动影响不大，可以忽略不计，雪花受到的力可由公式（1)计算
(1) 式中，A为浮力，G为重力，6为升力，&为阻力，W为雪花的质量，g为重力加速度。
2. 升力巧是使雪花在下落过程中沿着不规则环形路径运动并不断绕质心旋转的主要 原因，这主要是由于雪花不规则的空气动力学外形及其在下落过程中形成的紊流引起的， 阻力巧主要是雪花在运动过程中受到的空气作用力，同时也是雪花能够沿着风的运动方 向运动的重要原因。
3. 阻力的大小可以通过公式（2)求得
(2) 式中，&为由雪花引起的空气运动速度，其方向与A的方向相同，为考虑风阻时 的最大垂直速度，对于干雪，e[0.5亂k1. 5亂/s]，对于湿雪，^?χ 概/s]。
4. &是由两种因素引起的变量：风以及雪花与空气的摩擦，后者导致雪花随着风的运 动 WK (3) 式中，--为风速，G为雪花的运动速度。
5. 风场的计算模型.由于风的运动所特有的复杂性，因此风场中某一点处的风速并 不是一成不变的，对于风场中任一点在某个给定的时刻，风速的大小或方向与该点在下一 时刻是不同的，因而可以假定风速^是由平均风速和随机风速两部分组成的，即
(4) 式中，匕为平均风速，G随机风速。
6. 本发明重点研究了随机风速& ,对于给定的平均风速匕，可以通过公式（5)得 到^
(5) 式中，#为一个与风速大小相关的随机比例系数，一般可取为不大于平均速度的模 I匕I的3%-5% ; α为随机初始相位角，尽管随机风速是由于风形成的紊流产生的，但其仍然 在时间和空间上是连续的，因而初始相位角《也必须是连续的，Perlin噪声作为一种连续 噪声，可以作为产生初始相位角的随机函数，由于风速一般是按水平方向给出，其垂直分量 依然可以通过Perlin噪声产生，可以将预先计算出的sin S值以及垂直风速一并存储进一 张3D纹理中，作为三维风场中随机风的模型，在后续的计算中使用。
7. 本发明采用基于观测以及经验数据的方法，实现雪的累积和融化，在雪的累积计算 中，积雪的厚度可通过公式（6)计算 D = CCL>it (6) 式中，Q为降雪的速度（mm/ day,毫米/天)，|为降雪过程的时间（day,天)。
8. 在雪的融化计算中，雪的融化速度（mm/day，毫米/天）由公式（7)计算 Μ = '--^-Τμ).+Μ (7) 式中，为雪的融化率系数（mm/t： day，毫米/摄氏度天)，为大气温度（°C )，？；为 使雪融化的温度门限值（°C)，一般为0°C，：为融雪过程的时间（day，天)，Q与植被遮挡、 雪的反照率、太阳的辐射等有关，由公式（8)计算 (8) 式中，4为比例常量，< 为植被遮挡引起的太阳辐射传递系数，足为太阳的辐照度因 子，4为雪的反照率，由公式（9)计算
(9) 式中，?0.2/?^ν，为时间常量。
9. 而< 由公式（10)计算
(10) 式中，为植物遮挡的密度。
【文档编号】G06T15/00GK104143208SQ201310172058
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年5月12日 优先权日:2013年5月12日
【发明者】张泽旭, 王纲 申请人:哈尔滨点石仿真科技有限公司