真实感实时绘制技术综述

真实感实时绘制是在当前图形算法和硬件条件限制下提出的在一定时间内完成真实感绘制的技术。由于要描述的真实世界的复杂性和软、硬件等条件的约束，在真实感和实时 之问采取折衷处理是不可避免的。本文深入阐述了该领域内的首要问题及相应的解决方案，并研究了提高真实感实时绘制的软件技术。     

基于CUDA并行处理的海面航迹仿真

实时海面航迹仿真对仿真效果的真实性和实时性都有较高要求,在仿真区域较大、粒度较细的情况下,二者往往难以兼顾.针对以上问题,提出一种基于CUDA并行处理的海面航迹仿真方法,采用海面网格和水波粒子虚实相结合的方法来生成海面航迹,并将所有核心计算和渲染在GPU中并行执行.实验结果表明,CUDA方法能够充分发挥GPU并行处理能力,大幅降低内存和显存通信,在保证仿真效果真实度较高的情况下,显著提升实时仿真效率.     

图形硬件加速的实时水面绘制

实时生成具有真实感效果的水面是计算机图形学中的研究热点和难点之一。文章介绍了一个利用可编程图形硬件来实现水面实时生成和绘制的系统,绘制过程主要分两个方面:水面的建模和水面光照效果的实现。通过基于空间域的快速傅立叶变换技术来实现水面的建模,通过凹凸纹理贴图和投影纹理技术来实现水面的反射、折射和菲涅耳等水面光照效果。绘制过程主要在图形处理器中实现,从而保证了算法的实时性。在现有的PC机和可编程图形硬件加速卡上能达到每秒30帧以上的绘制速度。     

水面绘制的反走样处理

水面是户外场景中最为重要的组成部分之一。水面极大地丰富了视野中的场景复杂度，也使场景变得生动、美丽。但是，在绘制水库、湖面等大面积水域时，极易产生干涉条纹等走样现象，特别是在距视点较远的区域，更是如此。原因在于，水面是由一组随机的、沿不同方向运动的子波叠加而成     

一种虚拟场景的动态建模与实时仿真方法

针对虚拟现实技术中虚拟场景的生成及仿真问题,将场景中的实体位置状态及其基元间的连接关系统一用关节描述;通过建立场景连接图来描述场景结构模型,并采用关节驱动基元的方式来进行场景的更新操作,从而提出一种面向连接的关节驱动型虚拟场景的动态建模与实时仿真方法.在此基础上,开发通用的虚拟场景可视化软件平台,并通过测试验证提出的方法可以有效提高场景的建模与仿真处理效率.     

卷浪的真实感建模与绘制

巨浪的真实感绘制是计算机图形学的热点和难点之一。从浪的物理特性出发,绘制出较逼真的大规模实时卷浪场景。将卷浪的模拟分成基本波面和卷曲波面模拟。首先基于三维Gerstner海浪模型,加入Perlin噪音扰动来构建海浪的基本造型;然后采用基于物理的NURBS卷浪曲面生成算法,构建3D卷浪曲面库;随后动态搜索波面波峰,用卷浪曲面取代海面波峰,将卷浪曲面与初始波面无缝拼接;考虑不同风速与浪的交互作用,并采用相关真实感绘制技术,最后实现了不同情况下的大规模卷浪场景。     

飞行仿真中真实感三维云的快速绘制方法

近年来提出的云的真实感绘制算法大多采用纹理操作进行绘制,绘制算法复杂,渲染过程较长,对计算机硬件的要求高,不能完全满足飞行仿真的实时性要求。为解决上述问题,从光的单一散射出发,考虑云和大气粒子引起的光衰减率,采用阴影切片的方法分割体数据,在太阳照射方向上和视点观察方向上对切片数据进行分析,从而快速绘制出真实感三维云。仿真结果表示,生成的三维云效果真实,具有良好的实时性,能够满足飞行仿真及其他领域的要求。     

海浪实时绘制中波浪谱的选择

Phillips 谱是海浪实时绘制中常用的波浪谱。首先分析了Phillips 谱的结构, 指出该谱是一个瞬时空间谱,其频率谱符合Neumann 形式,与P-M 谱接近,其方向分布函 数为国际拖曳水池会议推荐的形式。令P-M 谱与Phillips 谱具有相同的单位面积波能,给出 了Phillips 谱风速的确切含义并计算出该谱的常数。除了使用Phillips 谱,还尝试其它形式 的谱。用P-M 谱和cos-2s 形式方向分布函数构造了瞬时空间谱PM-cos2s 形式,用JONSWAP 谱和Poisson 形式方向分布函数构造了瞬时空间谱J-Po 形式。比较3 种谱的绘制结果发现, 使用Phillips 谱、PM-cos2s 谱的绘制结果均能反映风速对海浪的影响,不能反映风距的影响, 使用J-Po 谱的绘制结果既能反映风速、也能反映风距对海浪的影响,且三者的绘制帧率一 致。如果要选择适合航海模拟器中海浪绘制的瞬时空间谱,该谱的风参数既应包括风速,也 应包括风距,且生成波应在风向的(-,]范围内,因此J-Po 谱在三者中最适合航海模拟器。 绘制结果已应用于航海模拟器中。     

真实感植物绒毛建模和实时绘制

提出了一种植物绒毛建模方法,通过定义一组参数来控制在植物造型表面生成各种形态的绒毛。该方法利用Poisson-disk分布模式确定器官曲面上绒毛的分布,并根据网格曲面的面积确定绒毛的密度,避免了在不规则曲面网格模型上生成不均匀的绒毛。绒毛的实体可用曲线或圆柱体表示,绒毛的长度、半径、卷曲度、方向和密度等参数都考虑了植物器官的位置信息。该方法对植株规模的模型达到了实时的处理要求,能够有效地生成各种具有真实感的植物表面绒毛效果。     

基于谱的三维随机海浪数值模拟研究

为有效地模拟三维波浪,从已有的统计观测结果出发,应用P-M谱和SWOP方向函数的基础上,建立了风浪的三维随机波面数学模型,该模型采用多个随机余弦波叠加来模拟随机波浪曲面。最后利用Matlab实现了该算法,结果表明这种方法能有效地模拟三维随机海浪。     

湿地场景的实时动态模拟

实现了一个湿地场景的实时模拟系统,能实时模拟包含数万棵树、数十万棵草,以及自然地形、水面等丰富景观元素的动态湿地场景.为增强场景真实感,提出一种基于环境遮挡的光照算法,以改进几何-图像混合式树木模型的绘制效果;还提出一些高效率的方法近似模拟水面的折射、反射等光学现象,以及晴天、雨天等各种天气条件下的光照效果.在动态模拟方面,结合预计算的关节式形变以及过程式动画2种方法,模拟了树木及花草的随风摇曳效果;还模拟了湖面的微波以及雨天的雨线效果及在水面形成的涟漪,为了提高模拟效率,采用了多种细节层次技术以及最新的GPU加速技术.     

真实感水波的模拟

近年来,自然景物的模拟一直是计算机图形学领域最具挑战的问题之一,对水波的模拟正日益引起人们的关注.其中基于物理模型的方法由于是从水波现象本身进行较精确的描述,使之成为了最有力的模拟方法.但是现阶段基于此方法的水波模拟都侧重于对水波的造型模拟,忽略了水波模拟另一关键问题一光影特效.本文在基于物理模型模拟进行水波造型的基础上,大胆结合了光影特效,对光照模型、水波折射现象及水波刻蚀现象分别进行了研究与实现,大大增强了水波模拟的真实性.     

高精度高速度曲面建模的3维地表模拟和漫游算法

三维真实感地形场景是生态系统模拟、虚拟地理环境和三维GIS不可或缺的要素,而高精度高速度曲面建模方法可以动态实时构建高精度曲面模型。论文引入高精度高速度曲面建模方法,提出了一种可以动态生成地表模型并实时绘制和漫游三维真实感地表的方法。该方法实时动态建立高精度DEM,结合改进的视点依赖多分辨率绘制方法,随视点改变动态重建并绘制当前DEM。首先建立当前可见场景的DEM,然后通过依赖于视点的简化等处理建立层次细节模型,进行实时场景绘制和漫游,随视点改变,在当前场景基础上动态加点和减点更新DEM及层次细节模型,生成当前可见场景,以次循环。实例测试表明,算法可产生真实感较强的场景,实时漫游效率较高,模拟精确。     

一种拉格朗日粒子流体的高效表面重建方法

为了在几何表示层面捕获拉格朗日粒子流体的表面细节特征以进行真实感绘制,提 出一种高效的基于八叉树的自适应流体表面重建方法。首先进行流体表面粒子的精确检测;然后 根据结点中是否包含流体表面粒子,对流体粒子的包围盒进行基于八叉树的自适应剖分;最后只 在包含流体表面粒子的叶子结点里建立隐式距离场。该方法在流体表面重建过程中的内存消耗和 计算复杂度只取决于流体表面而不是流体体积,适合大规模粒子流体场景的表面提取和绘制。     

一种面向虚拟环境的真实感水波面建模算法

给出了一种新型的模拟真实感水波面的建模算法．引入Perlin噪声作为水面高度场动态变化的激励源,依靠噪声的平滑特性来模拟水面连续动荡变化的效果．为了避免对每个水面网格点进行噪声计算,使用了准均匀B样条曲面来构造水波面,将噪声施加于B样条曲面的特征控制点,间接地控制水面高度场,这样在不增加噪声计算量的情况下可以对水面进行高分辨率的细分,而B样条曲面的生成速度依靠图形硬件的加速功能得以保证．用独立于视点的Cube Map纹理映射技术模拟了水面的反射效果,用跟踪视向量对应的折射向量的方法模拟了折射效果．实践证明,用该算法模型在普通PC平台上即可实时模拟真实感水波面．