[發(fā)明專利]一種大規(guī)模云場(chǎng)景繪制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410850270.1
• 申請(qǐng)日: 2014-12-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104574490A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張立民;范曉磊;鐘兆根;張兵強(qiáng);林洪文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍海軍航空工程學(xué)院
• 主分類號(hào): G06T15/00
• 分類號(hào): G06T15/00;G06T17/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及大規(guī)模云場(chǎng)景的建模及繪制，屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究領(lǐng)域，主要應(yīng)用于視景仿真，特別是云場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制在視景仿真中有著重要應(yīng)用。

背景技術(shù)

作為一種常見(jiàn)的流體，云的仿真是室外場(chǎng)景仿真中的一個(gè)重要組成部分，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，尤其是大規(guī)模云場(chǎng)景的仿真在飛行訓(xùn)練、三維游戲、影視制作中有著廣泛的應(yīng)用。然而，由于云外觀的不規(guī)則性，不能用數(shù)學(xué)函數(shù)對(duì)其進(jìn)行描述，且云的變化多樣更加大了它的仿真難度。作為一種復(fù)雜的自然現(xiàn)象，云的變化受到宏觀和微觀因素的影響，它的動(dòng)態(tài)特性由流體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等物理因素所控制，云的光照也異常復(fù)雜，不但有來(lái)自太陽(yáng)光的散射，還有云粒子間的相互反射，還有來(lái)自地面和天空中的光照。

已有云的仿真方法可以分為兩類：?jiǎn)l(fā)式方法和基于物理的方法。近年來(lái)，基于物理的方法因其仿真效果更真實(shí)日益成為主流。基于物理的方法關(guān)鍵在于偏微分方程的求解，基于網(wǎng)格的方法是解偏微分方程時(shí)常用的技術(shù)，該技術(shù)在仿真空間中生成一個(gè)網(wǎng)格空間來(lái)計(jì)算云的運(yùn)動(dòng)，將控制流體運(yùn)動(dòng)的偏微分方程使用網(wǎng)格來(lái)離散化，采用有限差分方法求解。已有基于網(wǎng)格的方法雖然生成的云場(chǎng)景較為真實(shí)，但效率較低，而且靈活性不足，受限于初始設(shè)定的網(wǎng)格分辨率，當(dāng)觀察者位置發(fā)生變化或者是仿真空間中的物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)法調(diào)整網(wǎng)格空間的分辨率，尤其是在繪制大規(guī)模云場(chǎng)景時(shí)更是難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互效果。

因此，一種能對(duì)大規(guī)模云場(chǎng)景進(jìn)行三維建模和實(shí)時(shí)繪制的方法可以解決上述問(wèn)題，提高云場(chǎng)景的繪制效率，加強(qiáng)場(chǎng)景仿真的真實(shí)感與沉浸感。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題做了深入的研究，提出一種大規(guī)模云場(chǎng)景的繪制方法，用于大規(guī)模云場(chǎng)景以及物體與云場(chǎng)景之間交互的實(shí)時(shí)繪制，至少包含了以下幾個(gè)步驟：多分辨率活動(dòng)網(wǎng)格的建立、為參與交互的物體建立OBB(Oriented?Bounding?Box)層次包圍盒、全局和局部網(wǎng)格分辨率的判定、網(wǎng)格單元的拆分與合并、云場(chǎng)景的渲染；所述的多分辨率活動(dòng)網(wǎng)格的建立，完成整個(gè)仿真空間的剖分，該網(wǎng)格空間為全局網(wǎng)格，在參與交互的物體邊界建立相應(yīng)的網(wǎng)格空間，該網(wǎng)格空間為局部網(wǎng)格，所有的網(wǎng)格都均勻劃分；所述的為參與交互的物體建立OBB層次包圍盒，完成每個(gè)物體OBB包圍盒樹(shù)的建立，提高物體與云的相交測(cè)試速度，當(dāng)物體在仿真環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其包圍盒做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)；所述的全局和局部網(wǎng)格分辨率的判定，實(shí)現(xiàn)分辨率的判定準(zhǔn)則；所述的網(wǎng)格單元的拆分與合并，完成網(wǎng)格單元的拆分或合并工作，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)或視點(diǎn)發(fā)生變換時(shí)，視點(diǎn)與仿真空間的距離以及視點(diǎn)與物體之間的距離將會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)網(wǎng)格分辨率的判定的結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格的拆分或合并；所述的云場(chǎng)景渲染，完成云場(chǎng)景的繪制工作，為提高繪制效率基于GPU進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中的二維多分辨率活動(dòng)網(wǎng)格示意圖；

圖2是本發(fā)明中三維網(wǎng)格空間及單獨(dú)的網(wǎng)格單元示意圖；

圖3是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的網(wǎng)格分辨率變化示意圖；

圖4是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的二維網(wǎng)格單元的拆分與合并示意圖；

圖5是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的網(wǎng)格單元拆分或合并后的數(shù)據(jù)變換示意圖；

圖6是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的仿真場(chǎng)景中交互物體運(yùn)動(dòng)后占用單元的變化示意圖；

圖7是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的算法流程(一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的具體算法流程)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)現(xiàn)流程，就本發(fā)明提供的一種大規(guī)模云場(chǎng)景繪制方法做進(jìn)一步的說(shuō)明。

1.多分辨率活動(dòng)網(wǎng)格的建立

多尺度活動(dòng)網(wǎng)格方法首先將整個(gè)仿真空間(包含待交互的物體)作為全局仿真空間，該網(wǎng)格空間稱為全局網(wǎng)格，網(wǎng)格空間均勻劃分，圖1為二維均勻網(wǎng)格空間及其參與交互的物體。圖中陰影區(qū)域表示待交互物體，右下角的物體是運(yùn)動(dòng)之后的效果，包圍著物體的小網(wǎng)格稱為局部網(wǎng)格，具有不同的分辨率。仿真過(guò)程中全局網(wǎng)格和局部網(wǎng)格的分辨率可以發(fā)生變化。在上方包圍著物體的矩形框是該物體的最外層OBB包圍盒。仿真空間全局網(wǎng)格和局部網(wǎng)格具體選用哪個(gè)級(jí)別的分辨率根據(jù)視點(diǎn)與仿真空間以及物體之間距離決定。參與交互的物體根據(jù)局部網(wǎng)格分辨率的判定原則在其邊緣區(qū)域建立局部網(wǎng)格，該局部網(wǎng)格只在物體邊緣占用的全局網(wǎng)格單元上建立，如圖1中的小網(wǎng)格所示。物體在仿真空間中可以自由運(yùn)動(dòng)，不受速度的限制，其OBB包圍盒作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。由于速度不受限制，拓展了方法的適用范圍，參與交互的物體可以是高速運(yùn)動(dòng)的物體。圖2是三維情形，圖中的陰影區(qū)域代表交互的物體，右側(cè)是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)格單元。

2.為參與交互的物體建立OBB層次包圍盒