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基于物理模型的自然景物真实感绘制

作　者: 王长波
导　师: 彭群生；王章野
学　校: 浙江大学
专　业: 应用数学
关键词: 基于物理的自然景物建模实时绘制天空场景大气折射飘雪场景风吹草动海市蜃楼下雨场景
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

真实感自然景物的实时建模与绘制一直是计算机图形学研究的热点和难点之一，它在计算机动画、电脑游戏、影视特技、军事仿真、建筑景观设计、虚拟现实等领域都有非常广泛的应用。值得注意的是各类自然景物如树木、花草、雨雪、云、烟雾、火焰等的模拟至今尚无统一的方法。随着计算机图形学的发展和应用需求的不断扩大，人们已不再仅仅满足于表现自然景物的静态真实感效果，而更希望模拟它们在自然场景中的动态变化过程。为此，一方面必须引入自然景观形成的物理模型，在视觉上达到更逼真的效果；另一方面，还需对上述物理模型进行适当简化，以实现快速绘制。本文第一章介绍了自然景物的研究意义和研究难点，综述了已有自然景物建模和绘制方法，分析了它们各自的优缺点，指出基于物理的自然景物的真实感动态绘制是当前的主要研究方向之一，提出了本文的主要研究内容，包括：考虑折射的天空场景真实感模拟，飘雪场景的实时绘制，风吹草动的动态建模与绘制，海市蜃楼场景的实时模拟，下雨场景的实时建模与绘制。本文第二章提出了一种新的考虑大气折射的天空光模型来绘制天空场景。传统的天空场景绘制方法大都基于大气对天空光和太阳光的散射，而未能考虑大气折射的影响，因此无法绘制出太阳和月亮场景在不同观测条件下形状、色泽、光晕的变化。本文提出了一种考虑大气折射的天空光模型，首先基于大气光学知识推导出大气折射率与气压、温度和水汽压的定量关系，详细计算了光线在大气中的折射轨迹，采用一种考虑折射的路径跟踪方法计算天空光强度的分布，并绘制出不同时间、不同季节、不同观测地点下更具真实感的太阳、月亮和星星的天空场景。通过风场建模和引入风雪交互作用机制，本文第三章首次实时绘制出逼真的飘雪动态场景。由于复杂风场的建模和实时求解十分困难，本文提出了一种基于离散Boltzmann方程的新方法来快速模拟三维风场；根据风雪的交互作用机理，建立了雪的飘动、沉积、侵蚀等变化规则；采用一系列简化和加速绘制的方法，真实感地实时绘制出不同风速下不同降雪量的风雪场景。本文第四章提出了一种大规模草地的动态建模与绘制方法。风吹草动的模拟不仅涉及到风与草的交互作用，也给草的几何造型提出了更高的要求，传统

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第1章绪论  14-32
  1.1 序言  14-15
  1.2 自然景物的真实感绘制  15-17
    1.2.1 自然景物模拟的意义  15-16
    1.2.2 自然景物模拟的难点  16-17
  1.3 自然景物模拟的基本方法  17-28
    1.3.1 基于分形迭代的算法  17-18
    1.3.2 基于语法规则的算法  18-21
    1.3.3 基于动态随机生长原理的算法  21-23
    1.3.4 基于纹理的算法  23-26
    1.3.5 大气光学传输模型  26-27
    1.3.6 基于特殊几何实例的算法  27
    1.3.7 参数化交互建模的方法  27-28
  1.4 现有方法的优缺点及适用范围  28-30
  1.5 本文的工作  30-32
第2章考虑大气折射的天空场景真实感绘制  32-54
  2.1 引言  32
  2.2 相关工作  32-34
  2.3 考虑大气折射的天空模型  34-41
    2.3.1 大气的成分及结构  34-35
    2.3.2 大气的散射性质  35-37
    2.3.3 大气折射模型  37-41
    2.3.4 光谱颜色转换模型  41
  2.4 太阳及白天天空场景的绘制  41-45
    2.4.1 光线在大气中的折射轨迹计算  42-43
    2.4.2 白天天空场景的绘制  43-45
  2.5 夜晚天空场景绘制  45-47
    2.5.1 月亮绘制  45-46
    2.5.2 星星绘制  46-47
  2.6 结果与分析  47-50
  2.7 小结  50-54
第3章飘雪场景的实时模拟  54-76
  3.1 引言  54
  3.2 相关工作  54-55
  3.3 风场模型的基本理论  55-59
  3.4 风雪场景的建模  59-68
    3.4.1 风的建模  59-63
    3.4.2 雪的建模  63-68
  3.5 风雪场景的实时绘制  68-72
    3.5.1 风和雪的造型  68-70
    3.5.2 场景绘制  70-72
  3.6 结果  72
  3.7 小结  72-76
第4章风吹草动的动态建模与绘制  76-96
  4.1 引言  76
  4.2 相关工作  76-77
  4.3 草的建模  77-83
    4.3.1 单根草的建模  77-82
    4.3.2 草的 LOD表达  82-83
  4.4 风吹草动的模拟  83-88
    4.4.1 风场的模拟  83-84
    4.4.2 风吹草动  84-86
    4.4.3 草的碰撞检测  86-88
  4.5 实现  88-90
    4.5.1 GPU加速  88-89
    4.5.2 地形绘制技术  89-90
  4.6 结果  90-91
  4.7 小结  91-96
第5章海市蜃楼的实时模拟  96-116
  5.1 引言  96
  5.2 相关工作  96-97
  5.3 海市蜃楼的成因  97-100
    5.3.1 海市蜃楼的原理分析  97-99
    5.3.2 海市蜃楼的成像基本条件  99-100
  5.4 海市蜃楼的理论建模  100-106
    5.4.1 蜃景的光线路径建模  100-103
    5.4.2 蜃景的能量建模  103-105
    5.4.3 蜃景的动态变化模型  105-106
  5.5 海市蜃楼的绘制  106-109
    5.5.1 蜃景的成像  106-107
    5.5.2 GPU硬件加速绘制  107
    5.5.3 海市蜃楼场景的整体绘制  107-108
    5.5.4 实现  108-109
  5.6 结果  109-110
  5.7 小结  110-116
第6章动态雨景的实时建模与绘制  116-138
  6.1 引言  116
  6.2 相关工作  116-117
  6.3 雨的形态及运动建模  117-122
    6.3.1 几何建模  117-119
    6.3.2 运动建模  119-121
    6.3.3 风雨交互作用  121-122
  6.4 雨景中的光照效果建模  122-131
    6.4.1 自然光散射模型  122-128
    6.4.2 灯光散射模型  128-131
  6.5 下雨场景的绘制  131-133
    6.5.1 基于视觉的光强颜色转换  132
    6.5.2 基于人眼衍射的光线绘制  132-133
    6.5.3 场景绘制  133
  6.6 结果  133-134
  6.7 小结  134-138
第7章总结和展望  138-142
  7.1 本文总结  138-139
  7.2 未来工作展望  139-142
参考文献  142-154
附录  154-156
攻读学位期间完成发表的学术论文  156-158
致谢  158-159

基于物理模型的自然景物真实感绘制

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