基于结构化粒子模型的云可视化应用

云数据的三维可视化模拟一直是计算机图形学和气象科学领域的研究热点。提出了基于WRF模式数据的建模与渲染技术,以实现真实云数据三维可视化模拟。针对粒子系统建模复杂、实时性差的问题,首先通过计算云粒子之间的相互关系建立结构化粒子模型,实现WRF云数据的建模;然后利用光照模型和公告牌技术对建模粒子进行光照渲染和三维模拟,同时结合Imposter技术提高纹理绘制速度和效果。实验仿真结果验证了该方法在提高云数据的建模与渲染速度,提高云三维可视化的逼真度方面的有效性。     

基于Direct3D和粒子系统的导弹尾焰模拟

为了能更加逼真地展现三维实时战场环境,对不规则模糊物体如火焰、烟雾、雨滴、雪花、波浪等的模拟仿真则显得尤为重要。国内外学者不断探索,先后提出了若干种针对不规则模糊物体的建模方法。粒子系统方法是到目前为止在模拟不规则模糊物体方面最成功的一种生成算法。通过对Direct3D中点精灵和粒子系统理论的研究,采用点精灵和纹理映射技术逼真地模拟出导弹的尾焰效果,从而再现了三维实时战场环境。     

基于GPU粒子系统的大规模雨雪场景实时模拟

基于粒子系统的雨雪模拟大幅提高了三维场景的真实感,但传统的基于中央处理(CPU)的粒子系统的渲染效率难以达到在大规模场景中进行雨雪渲染的要求.为此,提出了一种基于GPU的粒子系统来渲染雨雪场景的算法.该算法在视点前的一个固定区域内产生和绘制粒子,在顶点着色器中进行粒子属性的更新,在几何着色器中将粒子从点扩展为矩形,并对每一帧中的粒子的属性进行缓存处理,保证了粒子属性更新的连续性.此外,采用多幅雪花纹理与粒子随机组合,使雪花效果符合多样性和随机性.实验结果表明,该算法能在大规模场景中进行雨雪效果的实时渲染,并有较高的真实感.     

基于纹理滚动技术的多通道雨雪实时模拟

多通道技术是目前三维图形实时生成系统的一个重要发展方向,在多通道系统中模拟三维雨雪对实时性和通道间同步性有着较高的要求。在分析传统粒子系统生成方法的基础上,提出一种基于纹理滚动技术的雨雪模拟算法。基本思想是建立以视点为中心的多层圆柱面,以此为载体滚动雨雪纹理,并根据多层圆柱面间的深度差实现具有立体感的视差效果。实验证明,该方法能够生成逼真的视觉效果,并能较好地满足多通道系统的实时和通道间同步要求。     

视景系统云层的特效模拟

如何对云层进行建模和渲染是计算机图形学研究的热点问题.尤其是在飞行仿真系统中,云层的显示效果对于飞行模拟和飞行训练来说是非常重要的.Reeves提出的粒子系统是模拟云层的一种有效的方法.在分析粒子系统实现原理的基础上,提出了一种在天空场景漫游系统中实时地绘制云层的方法.基本思想是采用粒子系统建立云层的3D模型并进行渲染制,结合纹理映射、光照模型来实现逼真的云层模拟效果,同时采用Billboard技术以及Impostor技术来提高系统的实时性.实践证明,该方法实现的云层效果比较真实,而且在普通的PC机上也可以满足一般的实时性要求.     

粒子系统在虚拟校园中的应用研究

为了增强虚拟校园漫游系统的逼真程度,在分析粒子系统基本原理的基础上,利用视景仿真工具Vega特效模块中的自定义粒子系统功能,在虚拟校园中实时的模拟出雨雪特效.通过对粒子系统中雨雪粒子模型的属性分析,模拟出不同程度大小的雨雪效果,使用户能在不同天气环境下实现校园漫游,从而大大提高了虚拟校园三维场景的真实感.实验结果表明,基于粒子系统和Vega的雨雪模拟,能够有效应用到虚拟场景中,并且使其具有交互性好、真实感强的特点.     

基于DirectX的云模拟研究

虚拟场景的逼真动态显示是飞行模拟、实时动态仿真及虚拟现实等技术的基础。在飞行实时仿真系统中,云的模拟效果对于飞行模拟和飞行训练来说是非常重要的。文中介绍了3D图形函数库Direet3D,在分析纹理映射以及粒子系统实现原理的基础上,分别讨论了采用粒子系统建模和应用纹理动画技术来对云进行模拟,实现了真实感较强,渲染速度快的云层效果。文章最后对两种方法实现的云的模拟效果进行了对比,并指出了两种方法的优缺点,对今后的研究有一定的借鉴意义。     

基于气象数据与多噪声融合的体积云模拟研究

为了在智能无人机集群仿真中构建逼真的仿真环境，需要考虑基于气象数据对云进行建模与渲染。而当前基于真实气象数据的云模拟大多采用物理建模方法，如求解NS方程和粒子系统方法，这些方法为繁重的微积分方程求解任务所累，存在因计算量大而无法在大规模场景下实现实时仿真的缺点。针对该问题，提出了一种使用气象数据生成纹理与多噪声融合的体积云建模方法，并将气象数据与高度相关函数相结合来定义云的形状和密度在高度上的变化，有效地将气象数据与非物理建模方法进行结合。渲染时采用光线步进算法从视线方向和朝向太阳两个方向累积云的密度，结合光的吸收和散射定律计算每个样本点的颜色与透明度，最终绘制成云。实验结果表明，模拟出的体积云与气象数据中的云层信息较为一致，效率高，且在形态和颜色上都接近真实的云。     

基于粒子系统的烟花动画设计

W.T.Reeves提出的粒子系统模型是模拟不规则模糊物体最成功的一种图形生成方法。为了模拟出效果逼真的烟花,文中采用了粒子系统模型对烟花进行动画设计。在深入研究粒子系统的基本理论和对烟花燃放细节的分析的基础上,建立了基于粒子系统的烟花模拟模型,设计了一种五彩缤纷的烟花动画算法。在编程上,结合了VC＋＋编程语言和OpenGL的纹理映射技术,降低了渲染粒子的复杂度。实验结果表明,该算法快速、简单,视觉效果逼真,可以方便地应用到游戏和影视动画中。     

一种实现森林场景漫游的几何与图像混合绘制方法*

提出了一种基于粒子系统和Particle System API的景物模拟方法,并采用Line方式取代传统的Point方式渲染粒子,结合纹理映射方法实现了多种喷泉模拟。实验证明用该方法模拟喷泉效果比较真实,速度快,在普通微机上可以得到令人满意的效果。     

基于三维纹理的实时流体模拟

本文描述了一种利用基于Open GL三维纹理实现的直接体绘制方式显示流体模拟结果的方法。以JosStam的二维流体模拟模型为基础，扩展出三维流体模拟的模型；然后通过将密度场映射到三维纹理空间，实现实时的显示；并通过引入全局光照模型，得到真实感的渲染效果。最后通过与粒子系统进行对比，分析了本方法的显示效果优势。     

基于纹理的三维超声实时体绘制

三维纹理的体绘制算法由于其利用显卡加速渲染、硬件实现三线性插值和不丢失图像的纹理特性3大优点，尤其适合医学超声数据的实时三维可视化。显示大量多边形切片（slice polygon）是当前影响三维纹理体绘制渲染实时性的重要因素。为了克服常用的参数化算法在快速生成大量多边形切片时性能不佳的缺点，提出了的空间活动边表的方法，充分利用各个多边形切片之间的空间相关性实现增量计算，明显提高了计算速度。     

基于自适应布告板的三维树木表达方法

植被、地形以及人工建构筑物是三维虚拟地理场景可视化表达的基本内容,树木是植被的主要组成部分.由于树木自然形态的复杂性,其真实感表达非常困难.基于几何模型的树木表达可以产生逼真的细节,但场景实时渲染具有巨大的计算负担,而基于纹理的简化模型在真实感表达上有所欠缺,但具有更好的渲染性能.如何兼顾场景渲染效率与视觉真实感受一直是树木三维可视化表达的研究热点.本文提出一种基于自适应布告板的三维树木表达方法,该方法在通常的平面布告板方法基础上,根据视点与布告板的相对位置关系,从预先获得的多张树木影像中选取最符合视点与树木相对位置关系的影像作为树木纹理渲染于该布告板上,实现了布告板纹理的动态调整,使得不同视点下的树木渲染效果尽量接近真实,同时也具有布告板的渲染性能优势.本文基于WebGL在浏览器中构建了一个三维场景,其中包含若干树木模型.实验结果表明本方法在表达树林时,在浏览器这样的低渲染计算能力环境下也能取得可接受的渲染性能与表达效果.     

实时多波束海底地形数据三维瀑布图绘制方法

针对深水多波束测深数据的特点和实时显控的需求,提出了一种通过内存缓存技术以队列方式有效组织多Ping海底测深数据,采用局部更新技术提高数据更新效率,利用查表方法减少顶点高程赋色计算代价,进而结合VBO技术加速渲染过程的实时多波束海底地形探测数据三维瀑布图快速绘制方法,并在三维瀑布图实时绘制过程中实现了支持平移、旋转和缩放等交互操作。对实际多波束海底地形探测数据实时绘制的实验结果表明,该方法高效、稳定、光照效果佳,能很好地满足多波束海底地形探测数据的实时显控需求。     

使用GPU编程的光线投射体绘制算法

将传统的光线投射体绘制算法在具有可编程管线的图形处理器(GPU)上重新实现.首先将体数据作为三维纹理保存在显存中,然后通过编写顶点程序和片段程序将光线进入点/离开点计算和光线遍历的计算移入GPU中执行,最后根据不同的采样点颜色混合公式实现不同的绘制效果.文中算法仅需绘制一个四边形即可完成三维重建.实验结果表明:在进行光照效果的重建时,该算法能够达到实时交互的绘制要求,并能实现半透明等复杂绘制效果.     

高质量的三维纹理硬件体绘制

与光线投射法相比,传统的3D纹理体绘制算法通常难以产生高质量的图像。为了增强渲染图像的真实感与质量,在基于GPU（Graphics Processing Unit）的三维纹理体绘制过程中以交互的速率实现了体阴影效果,并考虑现实图像合成中的可视化感知,提出将基于GPU的高动态范围色调映射技术应用到体绘制得到的结果图片中。最后对一些体数据集进行绘制,实验表明这些技术较好地解决了传统纹理绘制方法的缺点,提高了图像的质量。     

大场景虚拟仿真平台设计与实现

简要介绍了基于实景三维地理信息技术及虚拟现实技术,利用通用三维渲染引擎实现的大场景虚拟仿真平台,重点探讨海量数据管理、多层地形渲染等大场景虚拟仿真的关键技术,并利用该平台实现了消防模拟演练及会商决策平台的原型。     

基于OSG与Qt的FAST三维场景仿真

为解决FAST基地可视化的问题,开发了一套基于OpenSceneGraph(OSG)与Qt的三维场景仿真系统。通过三维建模,计算机程序自动化布局,OSG虚拟场景搭建等,将FAST的场景进行仿真显示。通过数据驱动实现对虚拟场景的实时更新,同时采用OSG的粒子系统来模拟雨雪天气特效场景。该系统将FAST的场景实时显现在技术工作人员面前,具有场景漫游,动态演示等基本人机交互功能,可为FAST基地的实践工作提供辅助决策依据。     

三维GIS中多分辨率纹理模型的研究

在三维地理信息系统 (GIS)中 ,影像数据作为模型表面的纹理特征 ,对弥补复杂模型的几何特性以及提高三维显示的效果具有十分重要的意义 .为了提高三维模型显示的速度和效果 ,以及为了降低纹理贴图时 ,影像的数据量 ,提出了一种与观察视点相关的动态多分辨纹理模型 ,并设计了相应的数据结构用于管理纹理数据 ,另外在讨论观察视点与纹理分辨率之间关系的基础上 ,开发了基于视点的确定纹理分辨率的算法 ,以用于交互三维显示时的纹理映射 ,最后给出了部分实验结果 .实验结果表明 ,多分辨率纹理模型的映射机制可以取得较好的可视化效果 .