一種大規(guī)模云場景繪制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及大規(guī)模云場景的建模及繪制，屬于計算機圖形學研宄領域，主要應用 于視景仿真，特別是云場景的實時繪制在視景仿真中有著重要應用。
【背景技術】
[0002] 作為一種常見的流體，云的仿真是室外場景仿真中的一個重要組成部分，是計算 機圖形學領域研宄的熱點，尤其是大規(guī)模云場景的仿真在飛行訓練、三維游戲、影視制作中 有著廣泛的應用。然而，由于云外觀的不規(guī)則性，不能用數(shù)學函數(shù)對其進行描述，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，它的動態(tài)特性由流體動力學、熱力學等物理因素所控制，云的光照也異常復雜，不 但有來自太陽光的散射，還有云粒子間的相互反射，還有來自地面和天空中的光照。
[0003] 已有云的仿真方法可以分為兩類：啟發(fā)式方法和基于物理的方法。近年來，基于 物理的方法因其仿真效果更真實日益成為主流?；谖锢淼姆椒P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常用的技術，該技術在仿真空間中生成一個網(wǎng)格空 間來計算云的運動，將控制流體運動的偏微分方程使用網(wǎng)格來離散化，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景較為真實，但效率較低，而且靈活性不足，受 限于初始設定的網(wǎng)格分辨率，當觀察者位置發(fā)生變化或者是仿真空間中的物體運動時，無 法調整網(wǎng)格空間的分辨率，尤其是在繪制大規(guī)模云場景時更是難以實現(xiàn)實時交互效果。
[0004] 因此，一種能對大規(guī)模云場景進行三維建模和實時繪制的方法可以解決上述問 題，提高云場景的繪制效率，加強場景仿真的真實感與沉浸感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對上述問題做了深入的研宄，提出一種大規(guī)模云場景的繪制方法，用于 大規(guī)模云場景以及物體與云場景之間交互的實時繪制，至少包含了以下幾個步驟：多分辨 率活動網(wǎng)格的建立、為參與交互的物體建立OBB(OrientedBoundingBox)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、云場景的渲染；所述的多分辨率活動 網(wǎng)格的建立，完成整個仿真空間的剖分，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0BB層次包圍盒，完成每個物體0BB包圍盒樹的建立，提高物體與云的相交測試速 度，當物體在仿真環(huán)境中運動時，其包圍盒做相應的運動；所述的全局和局部網(wǎng)格分辨率的 判定，實現(xiàn)分辨率的判定準則；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，當物體運動或視點發(fā)生變換時，視點與仿真空間的距離以及視點與物體之間的距離 將會發(fā)生變化，根據(jù)網(wǎng)格分辨率的判定的結果進行網(wǎng)格的拆分或合并；所述的云場景渲染， 完成Z5T場景的繪制工作，為提尚繪制效率基于GHJ進彳丁實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0006] 圖1是本發(fā)明中的二維多分辨率活動網(wǎng)格示意圖；
[0007] 圖2是本發(fā)明中三維網(wǎng)格空間及單獨的網(wǎng)格單元示意圖；
[0008] 圖3是本發(fā)明應用實例的網(wǎng)格分辨率變化示意圖；
[0009] 圖4是本發(fā)明應用實例的二維網(wǎng)格單元的拆分與合并示意圖；
[0010] 圖5是本發(fā)明應用實例的網(wǎng)格單元拆分或合并后的數(shù)據(jù)變換示意圖；
[0011] 圖6是本發(fā)明應用實例的仿真場景中交互物體運動后占用單元的變化示意圖；
[0012] 圖7是本發(fā)明應用實例的算法流程（一個時間步長的具體算法流程）。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖和具體實現(xiàn)流程，就本發(fā)明提供的一種大規(guī)模云場景繪制方法做進 一步的說明。
[0014] 1.多分辨率活動網(wǎng)格的建立
[0015] 多尺度活動網(wǎng)格方法首先將整個仿真空間（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，右下角的物體是運動之后的效果，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)格具體選用哪個級別的分辨率根據(jù)視點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 運動，不受速度的限制，其OBB包圍盒作相應的運動。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動的物體。圖2是三維情形，圖中的陰影區(qū)域代表交 互的物體，右側是一個獨立的網(wǎng)格單元。
[0016] 2.為參與交互的物體建立OBB層次包圍盒
[0017] -個給定對象的OBB包圍盒可定義為包含該對象且相對于坐標軸方向任意的最 小長方體。OBB包圍盒的最大特點是方向的任意性，使得它可以根據(jù)被包圍對象的形狀特點 盡可能緊密地包圍對象。在進行物體之間相交檢測時，可以采用OBB包圍盒樹來快速排除 明顯不相交的物體。本發(fā)明引入OBB包圍盒的目的就緣于此，利用它來快速進行參與交互 的物體跟網(wǎng)格單元之間的相交測試。
[0018] 3.判定全局和局部網(wǎng)格的分辨率
[0019] 具體采用哪個層級的全局和局部網(wǎng)格分辨率，由視點距離仿真空間的中心位置以 及視點距離參與交互物體的中心位置決定。仿真空間的中心位置容易得知，將每個物體最 頂層OBB包圍盒的中心作為物體的中心位置，可以重復使用前面計算得到的數(shù)據(jù)，減少計 算量，如圖3所示。
[0020] 當視點與仿真空間中心距離d發(fā)生變化時，為更多或更少地顯示云場景的細節(jié)， 需要調整全局網(wǎng)格的分辨率。當網(wǎng)格投影到屏幕上時，寬度為h的網(wǎng)格單元對應著（h*e)/ d個像素，其中e是常量，由相機的參數(shù)決定。當（h?〇/(!= 1時，即對應一個像素即可滿 足需要，如果比1更小即低于1個像素時，具有這樣特征的信息在屏幕上是顯示不出來的。 由此，當視點距離仿真空間中心距離d發(fā)生變化時，最終投影到屏幕上的網(wǎng)格單元基本保 持占用一個像素大小。
[0021] 初始時已知屏幕分辨率和顯示屏幕的大小可以確定一個像素的大小寬度。此時， 由（h?eVd= 1可知，設hmax為最高分辨率時的網(wǎng)格單元大小，仿真空間確定后，此值固定， d_為此時的視點到仿真空間中心的距離，則d_=h_ ?e，令：
[0022]
【主權項】
1. 一種大規(guī)模云場景繪制方法，其特征在于，包括： (51) 多分辨率活動網(wǎng)格的建立； (52) 為參與交互的物體建立OBB層次包圍盒； (53) 全局和局部網(wǎng)格分辨率的判定； (54) 網(wǎng)格單元的拆分與合并； (55) 基于GPU進行云場景的擅染。
2. 根據(jù)權利要求1所述的大規(guī)模云場景繪制方法，其特征在于，所述步驟（S1)的多分 辨率活動網(wǎng)格的建立通過W下步驟得到： (511) 均勻剖分整個仿真空間為全局網(wǎng)格； (512) 在參與交互的物體邊界建立相應的網(wǎng)格空間作為局部網(wǎng)格。
3. 根據(jù)權利要求1所述的大規(guī)模云場景繪制方法，其特征在于，所述步驟（S4)的網(wǎng)格 單元的拆分與合并通過W下步驟得到： (541) 根據(jù)網(wǎng)格分辨率的判定原則，確定網(wǎng)格是拆分還是合并； (542) 從原點出發(fā)沿著每個坐標軸，按照一拆八或八合一的原則拆分或合并全局網(wǎng)格 單元； (543) 沿著物體所占用的邊緣網(wǎng)格，按照一拆八或八合一的原則拆分或合并局部網(wǎng)格 單元； (544) 進行拆分或合并后的數(shù)據(jù)處理。
4. 根據(jù)權利要求3所述的大規(guī)模云場景繪制方法，其特征在于，所述步驟（S44)的網(wǎng)格 單元拆分或合并后的數(shù)據(jù)處理過程如下： (S44-1)根據(jù)層次包圍盒與網(wǎng)格單元相交測試方法判定物體跟全局網(wǎng)格之間新的占用 和未占用單元； (S44-2)從占用區(qū)域的邊緣出發(fā)，由外及內(nèi)的順序，如由占用變?yōu)槲凑加脿顟B(tài)，網(wǎng)格單 元上的數(shù)據(jù)由其周圍未占用的網(wǎng)格單元上的數(shù)據(jù)插值確定，將單元的占用標志變量設置為 未占用； (S44-3)如網(wǎng)格單元是由未占用變?yōu)檎加脿顟B(tài)，只將單元的占用標志變量設置為未占 用； (S44-4)對拆分或合并后形成的局部網(wǎng)格的小單元，再次確定其占用和未占用狀態(tài)，當 有多個物體參與交互時，確保不會發(fā)生重疊。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大規(guī)模云場景的繪制方法，可應用于視景仿真領域，對大規(guī)模云場景的仿真采用多分辨率活動網(wǎng)格的方法進行建模；為仿真場景中參與交互的物體建立OBB層次包圍盒，并根據(jù)視點與仿真空間中心的距離以及與待交互物體的距離自動調整全局與局部網(wǎng)格的分辨率，最后實現(xiàn)大規(guī)模云場景的實時繪制。通過應用本發(fā)明，可以自適應調整仿真空間的網(wǎng)格分辨率，較真實地繪制不同時段的云場景，在有多個剛體參與交互的情況下，可以實現(xiàn)大規(guī)模云場景的實時繪制，提高仿真的效率以及實時交互過程中的真實感和沉浸感。
【IPC分類】G06T15-00, G06T17-00
【公開號】CN104574490
【申請?zhí)枴緾N201410850270
【發(fā)明人】張立民, 范曉磊, 鐘兆根, 張兵強, 林洪文
【申請人】中國人民解放軍海軍航空工程學院
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月29日