專利名稱：一種3d云層模擬實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿真技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種3D云層模擬實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
目前已有的模擬云層顯示技術(shù)中，要么是采用2D動畫的方式，無法在3D空間內(nèi)更好的發(fā)揮作用，要么需要使用PC平臺需要大量計算，復(fù)雜的圖像處理，不適用于處理能力稍差的移動平臺以及智能電視平臺。目前尚未有一種方法，可以在低運算能力的平臺上 (例如手機等便攜式電子設(shè)備)顯示3D云層以及動態(tài)效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種一種3D云層模擬實現(xiàn)方法，以方便快捷的在低運算能力的平臺上顯示3D云層，且提供云層的動態(tài)效果。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種3D云層模擬實現(xiàn)方法，包括以下步驟A.制作隨時間變換的3D天空動態(tài)背景；B.繪制云片的多幅效果圖，形成云形態(tài)庫圖片；C.通過在一個立方體空間內(nèi)設(shè)置多個云片的方式生成單朵云，云片根據(jù)云層高度不同使用隨機UV坐標設(shè)置的方式，從云形態(tài)庫圖片中隨機取樣；D.生成多個單朵云后設(shè)置每朵云的位置屬性，生成云層；E.實時調(diào)整3D動態(tài)天空背景顯示，并根據(jù)當(dāng)前時間設(shè)置云層的實時色彩；F.添加云層動態(tài)效果。所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，在所述步驟F中，通過對云朵對象添加速度屬性，在每一幀圖像中對云片的位置屬性坐標進行設(shè)置，以實現(xiàn)云層運動。
所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，在所述步驟F中，在添加速度屬性時分別為每朵云設(shè)置初速度和加速度，且每朵云的加速度不同，并通過定義速度區(qū)間的方式對加速度進行調(diào)整。所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，在所述步驟F中，還根據(jù)云片的位置屬性坐標，按一定曲線方程計算高度屬性的坐標，然后在每一幀圖片中對云片的高度坐標進行設(shè)置，使云在運動過程中高度上下起伏。所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，在所述步驟A中，通過UV坐標變換動畫的方式實現(xiàn)隨著時間逐漸變換的天空背景效果。所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，在所述步驟B中，通過PS等工具繪制卷云或積云的多幅效果圖，并使效果圖帶alpha通道，且圖片大小一致。所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，在所述步驟C中，通過設(shè)置立體空間的大小和形狀模擬不同形狀的云，通過調(diào)整發(fā)射云片的數(shù)量和大小模擬不同密度、不同大小的云。所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，在所述步驟C中，對每個云片的繪制均采用公告牌的形式。所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，在所述步驟D中，通過設(shè)置每朵云的高度屬性坐標， 以生成不同高度的云層。所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，在所述步驟E中，通過在3D坐標系中設(shè)置一個環(huán)境光，讓所有的云都受環(huán)境光影響從而呈現(xiàn)不同的色彩效果。通過上述方法，僅使用幾幅2D的卷云或積云的效果圖，通過對云片數(shù)量和云朵數(shù)量的調(diào)節(jié)，就可以制作效率很高且復(fù)雜的云層效果，再通過光源調(diào)節(jié)和動態(tài)效果添加，即可以模擬出比較真實自然的云層。


圖1為本發(fā)明一種3D云層模擬實現(xiàn)方法的較佳實施方式的流程圖；圖2為公告牌的原理示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。參考圖1，本發(fā)明一種3D云層模擬實現(xiàn)方法的較佳實施方式包括以下步驟步驟Si、制作隨時間變換的3D天空動態(tài)背景通過UV坐標變換動畫的方式可以實現(xiàn)隨著時間逐漸變換的天空背景效果，其方法為只通過使用一幅圖片，在這幅圖片從左到右體現(xiàn)了一天內(nèi)天空顏色的漸變效果，根據(jù)時間切換天空球的UV坐標使用范圍，這樣可以白天呈現(xiàn)藍色、黃昏呈現(xiàn)金黃色、深夜顯示黑色，并且顏色的改變不是突然的，而是早上到中午漸漸變藍、中午到黃昏慢慢變黃。上述UV坐標也稱為紋理坐標或者貼圖坐標，用于控制圖像如何投射到對象上。在游戲開發(fā)過程中UV定義了圖片上每個點的位置的信息，這些點與3D模型是相互聯(lián)系的，以決定表面紋理貼圖的位置，UV就是將圖像上每一個點精確對應(yīng)到模型物體的表面，在點與點之間的間隙位置由軟件進行圖像光滑插值處理，此為本領(lǐng)域的公知技術(shù)，在此不再贅述。步驟S2、制作云形態(tài)庫圖片使用PS等工具繪制卷云或積云云片的多幅效果圖， 并使效果圖帶alpha通道(阿爾法通道)，且圖片大小一致，然后將所有的效果圖排列生成一幅組合后的圖片，以形成云形態(tài)庫圖片。對于高層云、中層云和底層云分別制作不同的云形態(tài)庫，對每朵云進行紋理貼圖的時候采用隨機UV坐標的方式來截取云形態(tài)庫圖片的某一個云片來實現(xiàn)更有效率的利用貼圖。步驟S3、生成單朵云使用一個3D立方體空間(使用p0和pi兩個點來定位它們之間的空間范圍)內(nèi)繪制多個云片(云片的粒子發(fā)射范圍)，通過設(shè)置立體空間的大小和形狀可以模擬不同形狀的云，通過調(diào)整發(fā)射云片的數(shù)量和大小可以模擬不同密度、不同大小的云。如把普通云的立方體空間設(shè)置為PO (-50，-20，-50，)pi (50，20，50)，然后設(shè)置每朵云由10個云片組成，每個云片的大小為(128，64)，這樣生成的云朵形狀為扁長型、密度大，適合模擬近景的云，鏡頭穿越的時候會有層層穿越的效果；如果把立體空間設(shè)置的大一些，云片數(shù)量設(shè)置的小一些，則適合模擬遠景的云。
云的貼圖根據(jù)云層高度不同使用步驟S2中的云形態(tài)庫圖片中的云片，使用隨機 UV坐標設(shè)置的方式，從云形態(tài)庫圖片中隨機取樣，這樣可以保證云朵的顯示多樣性。對每個云片的繪制均采用公告牌的形式，這樣云片的顯示會永遠面對著鏡頭，從而只使用幾個云片就可以模擬真實的云朵效果。公告牌的原理及實現(xiàn)方式如下公告牌使用二維圖像始終面向觀察者，給人一種立體的感覺，它的效率很高，只用處理兩個多邊形，常用于樹木等模型以及粒子效果。公告牌由四個點定位，可以根據(jù)當(dāng)前的模型視圖矩陣和公告牌的位置坐標來計算它的四個點的坐標。參考圖2，假設(shè)當(dāng)前的模型視圖矩陣為M，則首先計算兩個方向向量right = [M
,M[4],M[8]]up = [M[1]，M[5]，M[9]]然后用如下公式計算公告牌的四個點a、b、c和d a = center—right氺(size氺0. 5)；b = center+right氺size氺0.5 ；c = center+right氺size氺0. 5+up氺size ；d = center—right氺size氺0. 5+up氺size ；其中center代表公告牌的位置，size代表公告牌的長度。步驟S4、生成云層按照上面的步驟生成多個單朵云，然后設(shè)置每朵云的位置屬性。例如可以將它們的高度屬性y設(shè)置成3D坐標系代表2000米附近的高度，而位置屬性 χ和ζ則設(shè)置成隨機范圍內(nèi)的大小，就形成了高度為2000米左右的云層。在此可根據(jù)實際需要添加不同高度的云層，如高度6000米左右的高空單層云，其中，低空云和高空云要使用不同云形態(tài)庫圖片中的云片，這樣效果更真實。步驟S5、實時調(diào)整3D動態(tài)天空背景顯示，并根據(jù)當(dāng)前時間設(shè)置云層的實時色彩 根據(jù)當(dāng)前時間的不同調(diào)整3D動態(tài)天空背景，并對云層設(shè)置不同的色彩屬性從而實現(xiàn)云色彩的渲染，由于云層在早晨中午晚上有不同的色彩效果，所以需要在3D坐標系中設(shè)置一個環(huán)境光，讓所有的云都受環(huán)境光影響從而呈現(xiàn)不同的色彩效果，如白天加白光、黃昏加泛黃的光。步驟S6、添加云層動態(tài)效果在實現(xiàn)云的靜態(tài)效果后，首先對云朵對象添加速度屬性，在每一幀圖像中對云片的位置屬性坐標進行設(shè)置，從而實現(xiàn)云層運動。在添加云層的速度屬性時，在對云的速度取值時采用在一個速度區(qū)間隨機取值， 這樣在云朵運動的過程中，云朵的形狀會產(chǎn)生緩慢的變化。例如云的飄動的平均速度為vO， 我們使用vl = v0/2,v2 = v0*2定義出速度閥值vl和v2，然后對每朵云設(shè)置初速度為vO， 加速度a = v0/10*rl (rl取-1到1之間的隨機數(shù))。這樣每朵云的加速度不同，速度就會有快慢的區(qū)分。而當(dāng)云朵的速度ν超過了 vl到v2的區(qū)間時，再對加速度做新的調(diào)整使速度在此區(qū)間之內(nèi)。這樣每朵云的速度都在這個區(qū)間，但又存在微小的變化，云緩慢運動的同時就會呈現(xiàn)形狀慢慢變化的效果。此后再通過以下方式添加云層上下涌動的動態(tài)效果在云運動的過程中，修改云的高度屬性，具體修改方式是根據(jù)云片的位置屬性χ和ζ坐標的不同，按一定曲線方程計算高度屬性的y坐標，然后在每一幀圖片中對云片的高度屬性坐標進行設(shè)置，這樣可實現(xiàn)在云的運動過程中，高度有上下起伏的效果。例如對于云片的高度屬性使用sin曲線，公式為高度的變化值h = a*sin(bX)，χ為速度方向向量上的距離，這樣可以實現(xiàn)云朵朝這個方向運動的同時上下涌動的效果。通過調(diào)整a和b的取值可以設(shè)置涌動效果的不同的振幅和波長。通過上述方法，僅使用幾幅2D的卷云或積云的效果圖，通過對云片數(shù)量和云朵數(shù)量的調(diào)節(jié)，就可以制作效率很高且復(fù)雜的云層效果，再通過光源調(diào)節(jié)和動態(tài)效果添加，即可以模擬出比較真實自然的云層。本方法通過采用自然，簡潔的方式，在3D空間里顯示云層效果，該效果可以實現(xiàn)鏡頭在云層的穿越以及云層的動態(tài)變化，如隨風(fēng)飄動、涌動等效果。應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種3D云層模擬實現(xiàn)方法，包括以下步驟A.制作隨時間變換的3D天空動態(tài)背景；B.繪制云片的多幅效果圖，形成云形態(tài)庫圖片；C.通過在一個立方體空間內(nèi)設(shè)置多個云片的方式生成單朵云，云片根據(jù)云層高度不同使用隨機UV坐標設(shè)置的方式，從云形態(tài)庫圖片中隨機取樣；D.生成多個單朵云后設(shè)置每朵云的位置屬性，生成云層；E.實時調(diào)整3D動態(tài)天空背景顯示，并根據(jù)當(dāng)前時間設(shè)置云層的實時色彩；F.添加云層動態(tài)效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，其特征在于在所述步驟F中，通過對云朵對象添加速度屬性，在每一幀圖像中對云片的位置屬性坐標進行設(shè)置，以實現(xiàn)云層運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，其特征在于在所述步驟F中，在添加速度屬性時分別為每朵云設(shè)置初速度和加速度，且每朵云的加速度不同，并通過定義速度區(qū)間的方式對加速度進行調(diào)整。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，其特征在于在所述步驟F中，還根據(jù)云片的位置屬性坐標，按一定曲線方程計算高度屬性的坐標，然后在每一幀圖片中對云片的高度坐標進行設(shè)置，使云在運動過程中高度上下起伏。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，其特征在于在所述步驟A中，通過 UV坐標變換動畫的方式實現(xiàn)隨著時間逐漸變換的天空背景效果。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，其特征在于在所述步驟B中，通過 PS等工具繪制卷云或積云的多幅效果圖，并使效果圖帶alpha通道，且圖片大小一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，其特征在于在所述步驟C中，通過設(shè)置立體空間的大小和形狀模擬不同形狀的云，通過調(diào)整發(fā)射云片的數(shù)量和大小模擬不同密度、不同大小的云。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，其特征在于在所述步驟C中，對每個云片的繪制均采用公告牌的形式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，其特征在于在所述步驟D中，通過設(shè)置每朵云的高度屬性坐標，以生成不同高度的云層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D云層模擬實現(xiàn)方法，其特征在于在所述步驟E中，通過在3D坐標系中設(shè)置一個環(huán)境光，讓所有的云都受環(huán)境光影響從而呈現(xiàn)不同的色彩效果。
全文摘要
本發(fā)明提供一種3D云層模擬實現(xiàn)方法，包括以下步驟A.制作隨時間變換的3D天空動態(tài)背景；B.繪制云片的多幅效果圖，形成云形態(tài)庫圖片；C.通過在一個立方體空間內(nèi)設(shè)置多個云片的方式生成單朵云，云片根據(jù)云層高度不同使用隨機UV坐標設(shè)置的方式，從云形態(tài)庫圖片中隨機取樣；D.生成多個單朵云后設(shè)置每朵云的位置屬性，生成云層；E.實時調(diào)整3D動態(tài)天空背景顯示，并根據(jù)當(dāng)前時間設(shè)置云層的實時色彩；F.添加云層動態(tài)效果。通過上述方法，僅使用幾幅2D的卷云或積云的效果圖，通過對云片數(shù)量和云朵數(shù)量的調(diào)節(jié)，就可以制作效率很高且復(fù)雜的云層效果，再通過光源調(diào)節(jié)和動態(tài)效果添加，即可以模擬出比較真實自然的云層。
文檔編號G06T17/00GK102184561SQ201110135568
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者張穎 申請人:Tcl集團股份有限公司