大規(guī)模真實(shí)感體積云的實(shí)時渲染方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在流處理器上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模真實(shí)感體積云實(shí)時渲染的方法。包括基于LOD(LevelofDetail)技術(shù)的新型網(wǎng)格模型，控制云形狀的2D紋理，云的多重前向散射模型，以及云的光照計算。本發(fā)明的新穎之處在于通過立方體紋理實(shí)現(xiàn)了對天空、太陽的反射效果，通過3D紋理存儲預(yù)先計算的光照結(jié)果，簡化云的光照計算；并綜合考慮云在天空中的覆蓋率以及云的濃淡和風(fēng)等因素。本方法特別適合云覆蓋大部分或全部天空時的實(shí)時渲染，具有速度快，仿真度高，平臺兼容性好的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】大規(guī)模真實(shí)感體積云的實(shí)時渲染方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明與計算機(jī)圖形學(xué)有關(guān)，隨著流計算平臺GPU技術(shù)的快速進(jìn)步，為圖形學(xué)的 發(fā)展提供了重要的硬件平臺。本發(fā)明涉及一種基于流計算平臺GPU的大規(guī)模真實(shí)感體積云 的實(shí)時渲染方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 自然景物的渲染技術(shù)一直伴隨著計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展而不斷發(fā)展，尤其是近年來 隨著GPU可編程技術(shù)的突飛猛進(jìn)，GPU在自然景物模擬中的應(yīng)用越來越廣泛，并取得了大量 研究成果。同其它自然景物的渲染相比，云由于沒有定義良好的邊界以及模擬和光照計算 的復(fù)雜性，大規(guī)模體積云的實(shí)時渲染無疑是具有挑戰(zhàn)性的圖形學(xué)研究方向之一.針對云渲 染的研究，相關(guān)工作可分為模擬、幾何建模和渲染三部分。模擬大致可以分成兩大類：一類 是基于物理的方法，另一類是基于啟發(fā)式的方法。基于物理的方法主要是通過計算流體力 學(xué)求出其數(shù)字解，并考慮由云粒子引起的對光的散射和吸收，這類方法是計算密集型的，需 要占用大量的計算資源。大部分基于啟發(fā)式的方法是過程模型，這類方法計算量不大且易 于實(shí)現(xiàn)，但需要對大量的參數(shù)進(jìn)行手動調(diào)試.由于云沒有固定的邊界，很難通過建立靜態(tài) 的幾何模型實(shí)現(xiàn)體積云的渲染，因而幾何建模尤其重要。在先方法[1](參見Harris M J， and Lastra A. Real-time cloud rendering. Computer Graphics Forum, 2001, 20(3): 76-84)采用3D紋理存儲預(yù)先計算的簡化光照和多重前向散射及自陰影結(jié)果，在GPU上實(shí)現(xiàn) 了云的實(shí)時渲染算法，這種方法可以進(jìn)行實(shí)時渲染，但難于對云的細(xì)節(jié)變化進(jìn)行控制.在 先方法[2] (Wang N. Realistic and Fast Cloud Rendering in Computer Games. ACM SIGGRAPH 2003 Sketches & Applications, San Diego, California, 2003. New York: ACM Press, 2003: 1 _ 1)采用粒子系統(tǒng)和假體（Imposter)建立了云的幾何模型，具有一 定的代表性. 不同于在先方法[1]，本發(fā)明提出了一種基于L0D技術(shù)的幾何模型對云建模；不同在先 方法[2]，為了提高渲染效率，采用兩步算法，第一步計算光照或陰影，第二步運(yùn)用第一步的 結(jié)果渲染最終圖像。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 現(xiàn)代流計算技術(shù)為基于GPU的大規(guī)模真實(shí)感體積云實(shí)時渲染提供了良好的平臺 和巨大的靈活性。本發(fā)明建立一種在流處理器上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模真實(shí)感體積云實(shí)時渲染的方 法，解決沒有良好定義邊界的云的模擬和渲染過程中復(fù)雜光照計算的挑戰(zhàn)性問題.本發(fā)明 的大規(guī)模真實(shí)感體積云實(shí)時渲染的方法首先利用一種基于L0D技術(shù)的幾何模型對云建模， 采用2D紋理控制云的外形；其次采用預(yù)處理對云的光照進(jìn)行計算，建立云的多重前向散射 以及天空光照函數(shù)，并將計算結(jié)果存儲在3D紋理中，最后利用GPU進(jìn)行大規(guī)模體積云的實(shí) 時渲染，并對云在天空中的覆蓋率以及云的濃淡、風(fēng)等因素進(jìn)行了模擬。
[0004] 本發(fā)明的基本原理如下。
[0005] -、一種基于動態(tài)布告板（Billboard)技術(shù)的兩級L0D幾何模型。LODi米用多層 同心圓形網(wǎng)格模型，是模型的低級L0D，網(wǎng)格的層數(shù)與云層的厚度有關(guān)，并對渲染效果和渲 染速度有直接影響。層數(shù)越多，最終的渲染效果越好，同樣也需要更多的渲染時間；較少的 層數(shù)盡管可以提高渲染效率，但是當(dāng)觀察角度較小時，將會看到層與層之間的空隙。給定層 數(shù)底層厚度Tfecfowss，則第;層的1?度盡由公式（1)計算：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于動態(tài)布告板（Billboard)技術(shù)的兩級LOD幾何模型，以^米用多層同心圓 形網(wǎng)格模型，是模型的低級L0D，網(wǎng)格的層數(shù)與云層的厚度有關(guān)，并對渲染效果和渲染速度 有直接影響.層數(shù)越多，最終的渲染效果越好，同樣也需要更多的渲染時間；較少的層數(shù)盡 管可以提高渲染效率，但是當(dāng)觀察角度較小時，將會看到層與層之間的空隙。
2. 給定層數(shù)iV，z?底商，z?層厚度IKcfciess，貝1J第I層的商度年由公式（1)計 算：
(1) L0D。采用動態(tài)布告板技術(shù)，不同于通常的布告板圍繞固定的旋轉(zhuǎn)中心且保持布告板的 尺寸不變，動態(tài)布告板的旋轉(zhuǎn)中心和布告板的尺寸是逐幀計算的，布告板的尺寸變化是為 了保證其能夠與云層的厚度保持一致，這是體積云的渲染必需的；布告板旋轉(zhuǎn)中心的變化 主要是由于布告板的數(shù)量也是變化的，當(dāng)觀察方向垂直于云層時，布告板的數(shù)量與LC^的 云層層數(shù)相等，而當(dāng)視點(diǎn)位于云層中且觀察方向沿著云層的方向時，布告板的數(shù)量將達(dá)到 最大值，此時較多的布告板將得到較好的渲染效果。
3. 多重散射光照模型模擬光線在云層中的傳輸與變化.給定光源方向I和位置Ρ，Ρ 點(diǎn)的光照為到達(dá)Ρ點(diǎn)的所有光，其散射為：
(2) 式中，AO)為云層外沿^方向的光照強(qiáng)度，τι(?)為云中深度?處的衰減系數(shù)，為光 線沿傳播方向在云中經(jīng)過的深度，且
(3) 表不在點(diǎn)X處光線從所有方向散射到方向Φ的光照，為雙向散射分布函 數(shù)，該函數(shù)可進(jìn)一步展開為
(4) 式中，a(x)為點(diǎn)處介質(zhì)的反照率，為相函數(shù)，本發(fā)明只計算多重前向散射， 因而公式（3)中? = /，且Φ'=-Ι。
4. 滿足上述條件的散射角只有一個很小的固定值廠由于F足夠小，可以假定在7內(nèi) 的r和/為常量，因此在仿真計算中公式（3)可以簡化為： g(x,i) = r(xj-l)^l(x,-i) -γ?Απ (5) 在仿真計算中將光線在云中經(jīng)過的路徑從0到切分成F段，每一段為勺，j從i到 y,m ：
(6) 式中，4為光線到達(dá)云層邊界時的強(qiáng)度，分段后的形式為
5. 為了便于硬件實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明將公式（6)改寫為：
(7) 解決云磁片效應(yīng)的外觀控制.為使渲染出的體積云具有厚度變化，在存儲光照結(jié)果的 3D紋理中增加一個《通道，以實(shí)現(xiàn)云的厚度變化.由于該3D紋理采用復(fù)制模式鋪設(shè)，從而 不可避免的會出現(xiàn)常見的磁片效應(yīng)，為了解決這一問題，本發(fā)明引入一張單通道2D紋理， 對3D紋理的Q通道進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的α值由公式（ 8)表述：
(8) 式中，Ι.α為3D紋理的a值，為單通道2D紋理的顏色值。
6. 云的覆蓋率與濃度渲染.云在天空中所占的區(qū)域不是一成不變的，有時云會覆蓋大 部分天空，有時僅覆蓋其中一小部分.為了模擬這一現(xiàn)象，本發(fā)明引入了覆蓋率C ,以便對 α值進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)制，此時G值由公式（9)表述：
(9) 當(dāng)C=1時,該公式與公式（8) -致；0<1時，天空中的云量將減少。
7. 覆蓋率主要是對2D紋理進(jìn)行調(diào)制，除此之外，本發(fā)明通過引入濃度系數(shù)D對云的濃 度進(jìn)行控制，此時α值由公式（10)表述：
(10) 當(dāng)D = 1時，公式（10)與公式（9) 一致，當(dāng)D<1時，單個云團(tuán)的濃度將發(fā)生相應(yīng)變化。
【文檔編號】G06T15/00GK104143205SQ201310171525
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月11日
【發(fā)明者】張澤旭, 王綱 申請人:哈爾濱點(diǎn)石仿真科技有限公司