基于GPU的动态天空场景仿真

针对三维天空场景仿真中出现的场景实时性和真实性不能满足用户的需求等问题,提出了基于GPU (graphic processing unit)的动态天空场景仿真方法.在开源场景图形系统(OpenSceneGraph)开发平台上,使用基于物理的方法计算出一天中不同时刻天空的背景色;采用shader技术,用OpenGL着色语言(GLSL)在GPU上对云、太阳进行模拟;针对太阳的位置,绘制出具有真实感效果的光晕.实验结果表明,该仿真方法可以绘制出具有动态效果的、天空颜色能平滑过渡的天空场景,并且真实感强.     

多重散射的天空光照效果建模与实时绘制

依据大气散射的物理原理,提出了一种考虑多重散射的天空光照效果建 模与实时绘制方法。该方法首先以太阳和天空光作为光源建立了多重散射的天空光照效果模 型,然后综合多种大气粒子密度, 采用合理的分段采样策略,对天空颜色模型的积分进行简 化,以减少积分近似计算所带来的误差;通过对简化后的模型进行分析提出了采用二维纹理 与三维纹理对光学深度预计算的方法,避免了运行时计算光学深度积分的问题;最后该算法 在GPU 的片段处理器上执行,实现了天空光照效果模型的实时绘制,可以满足各种实时应 用需求。     

海市蜃楼现象的真实感绘制

虚无飘渺的海市蜃楼是一种非常奇妙的自然现象，其是由特定条件下大气的折射和全反射引起的．文中提出了一种对海市蜃楼现象进行建模与绘制的新方法：通过分析不同类型海市蜃楼的成因，建立了对应的不同大气温度变化模型；提出了基于大气重力波模型的海市蜃楼动态变化模型；考虑环境对海市蜃楼的影响，对海市蜃楼的整体进行绘制；在此基础上，绘制出不同条件下不同海市蜃楼的真实感场景，包括海洋、沙漠、公路上的蜃景，并模拟了蜃景的动态变化．     

大规模海浪场景的真实感绘制

针对计算机图形学中大规模海浪场景绘制的难题,提出一种实时绘制高真实感海浪的方法.首先提出同心圆网格模型来模拟海浪表面;然后利用基于GPU的快速傅里叶变换方法生成海浪高度图,并模拟了Choppy波,减轻了磁砖效应.分别采用立方体纹理映射、平面反射及Phong镜面反射技术模拟海面对天空、景物、太阳的反射效果,并在海面的折射效果中考虑了海水深度的影响.最后模拟了海浪中的泡沫以及景物在海面上的阴影效果.该方法已成功地应用在航海模拟器中.     

二次曲面反射和折射场景的快速光线跟踪

镜面反射和折射场景的真实感图形绘制一直是计算机图形学领域具有挑战性的研究课题之一.虽然传统的光线跟踪算法可以绘制出逼真的效果,但是计算量大、耗时长.为了快速地进行真实感图形的绘制,基于光学映射虚对象的概念,提出了一种基于二次曲面(球体、圆柱体等)反射折射场景的快速绘制技术,并给出了求解二次曲面物体反射和折射虚物体的计算公式,由于该技术可利用图形硬件像绘制实际物体一样绘制这些虚物体,从而可实现基于图形硬件加速的快速光线跟踪.实验证明,这种方法可以在普通图形加速卡上实现镜面反射和折射现象的快速绘制,从而极大地提高了真实感图形绘制的速度,特别适用于建筑物漫游、动画和虚拟现实等要求快速绘制的领域.     

室外场景光照估计的基图像分解算法

基于室外固定场景的太阳光与天空光基图像分解理论,证明了同一太阳方位在不同天气情况下的3幅图像具有线性相关性,使得基图像方程欠约束,导致基图像无法自动求解.为此提出利用2个太阳方位、2种天气情况下的4幅图像求解基图像的算法,并利用太阳光与天空光基图像在太阳光照区域内点的像素色调一致性,优化基图像及太阳光和天空光光照参数.实验结果表明,该算法自动求解基图像,且根据基图像和光照系数准确重构原图像的均方误差,并将其控制在2像素值以内,从而可用于高品质的增强现实技术.     

可变材质的实时全局光照明绘制

现有的基于预计算的全局光照明绘制算法都假设场景中物体的材质固定不变,这样,从入射光照到出射的辐射亮度之间的传输变换就是线性变换.通过对这种线性变换的预计算,可以在动态光源下实现全局光照明的实时绘制.但是,当材质可以改变时,这种线性变换不再成立,因此,现有算法无法直接用于动态材质的场景.提出了一种方法:在修改场景中的物体材质时,可以实时得到场景在直接光照和间接光照下的绘制效果.将最终到达视点的辐射亮度根据其之前经过的反射次数及相应的反射材质分为多个部分,每个部分和先后反射的材质的乘积成正比,从而把该非线性问题转化为线性问题.又将所有可选的材质都表示为一组基的线性组合.将这组基作为材质赋予场景中的物体,就有各种不同的组合方式,预计算每种组合下所有部分的出射辐射亮度.在绘制时,根据各物体材质投影到基上的系数线性组合预计算的数据就能实时得到最终的全局光照明的绘制结果.该方法适用于几何场景、光照和视点都不发生变化的场景.使用双向反射分布函数来表示物体的材质,不考虑折射或者半透明的情况.该实现最多包含两次反射,并可以实时绘制得到一些很有趣的全局光照明效果,比如渗色、焦散等等.     

雨雾天气下光线散射效果的实时绘制

提出一种适用于雨雾天气的天空光照的多粒子散射模型,实现了雨雾场景中大气散射效果及雨后彩虹的真实感绘制.同时,通过对传统点光源单散射模型公式的解析简化,实现了各向异性光源散射效果的实时绘制.最终实时绘制出多种不同条件下真实感较强的雨雾场景.     

基于色度一致性的室外场景光照参数估计

针对不同天气情况下在同一太阳方位拍摄的室外场景图像,提出了一种基于色度一致性的光照参数估计算法。该算法基于太阳光与天空光基图像分解理论,利用色度一致性这一约束条件求解太阳光和天空光的光照系数;并利用光照色度校正模型对基图像进行光照色度校正,从而得到更准确的光照参数。 实验结果表明,所提算法是有效且正确的,根据基图像和光照系数可以准确重构原图像,从而实现虚拟物体与真实场景的无缝融合。     

一种云场景的实时渲染方法

探讨了真实感云场景的模拟技术,设计了一种云场景的实时渲染方法。基于Perlin噪声建模生成云浓度图,并采用考虑浓度的Phong光照模型与单向散射光照模型,分别计算反射光和透射光,改善了传统方法无法真实反映不同角度太阳光照的问题,实现了不同时段动态云场景的绘制。通过引入基于GPU的Bumping纹理算法与Render-to-Texture技术,极大提高了云场景的渲染速度。实验结果进一步表明该方法能够同时满足真实感与实时性两个方面的要求。     

Volume tracing of atmospheric environments

Current three-dimensional computer graphics assumes a vacuum space. The inclusion of atmosphere is essential for the modeling and rendering of natural phenomena. This paper presents a method of modeling atmospheric effects and rendering them using a volume tracing renderer. The model is built within a framework called the atmospheric cube. The atmospheric cube, or the A-cube, is a finite volume that encloses the three-dimensional scene to be modeled. The atmosphere is defined by particles of varying radii, which are distributed over the cube. The distribution of particles determines the density of atmosphere. The interaction of light with the atmosphere is divided into four cases to capture the characteristics of the atmospheric illumination by particles of different radii: absorption, Rayleigh scattering, Mie scattering, and geometric optics. The atmospheric equation is a combination of modeling techniques covering the four cases. To render the interaction of light with the atmosphere, we present the rendering technique called volume tracing. Examples of blue sky, sunset, hazy sky, shaft of light beam, and rainbow are given.     

大气效果的绘制技术综述

户外场景的一个重要特征就是大气的存在，大气对户外光照的影响直接关系到户外景物绘制的正确性。因此，大气效果的绘制技术，即表现大气在户外景物中存在的绘制技术，在图形学界被广泛地探讨，成为最具挑战性，也是最具吸收力的图形学研究方向。文中回顾了该技术的发展，从辐射传输理论、 天空和太阳模型、大气模型和绘制方法4个方面介绍现有的图形学技术，并对使用这些技术的图形学应用软件以及技术的发展方向作了简要的介绍。     

Simulation of atmospheric phenomena

This paper presents a physically based simulation of atmospheric phenomena. It takes into account the physics of non-homogeneous media in which the index of refraction varies continuously, creating curved light paths. As opposed to previous research on this area, we solve the physically based differential equation that describes the trajectory of light. We develop an accurate expression of the index of refraction in the atmosphere as a function of wavelength, based on real measured data. We also describe our atmosphere profile manager, which lets us mimic the initial conditions of real-world scenes for our simulations. The method is validated both visually (by comparing the images with the real pictures) and numerically (with the extensive literature from other areas of research such as optics or meteorology). The phenomena simulated include the inferior and superior mirages, the Fata Morgana, the Novaya–Zemlya, the Viking's end of the world, the distortions caused by heat waves and the green flash.     

L波段微波辐射计冷空定标源亮温分析

欧空局SMOS任务的塔克拉玛干沙漠地面定标实验,采用L波段微波辐射计测量塔克拉玛干沙漠的土壤亮温。此辐射计的定标采用冷空作为低温定标源。由于冷空的情况比较复杂,在L波段,其亮温受到诸多因素的影响。根据日地关系、太阳与天线的位置关系,建立太阳辐射模型,得出了任意时刻太阳进入天线视场范围内的影响亮温值,并简要分析了月球、其它星球、中性氢原子分立谱发射和热源连续谱发射对辐射亮温的影响,为选取冷空作为低温定标源提供了理论及数据参考。     

Photorealistic image synthesis for outdoor scenery under various atmospheric conditions

We propose a method for displaying photorealistic images of outdoor scenes suitable for displaying simulation results, such as the appearance of a building under various weather conditions. This method portrays the changes in perceived color of buildings under various atmospheric conditions by taking into account the spectral distribution of both direct sunlight and sky light. Such views of buildings (including the effects of atmospheric particles like clouds, fog, and light beams) are useful for the design not only of buildings, but also of whole city areas.     

结合WLS滤波与还原控制因子的图像去雾

雾天退化图像的复原过程中,针对大气光幕和大气亮度估计不准确导致光晕效应、偏色现象和对比度不足等问题,提出一种结合WLS (weighted least square)滤波与还原控制因子的去雾算法.首先分析WLS滤波器的原理和性能,并用于大气光幕的有效提取;其次利用Sobel算子检测二值化图像边缘,将边缘数目与像素均值同时作为四叉树空间索引的依据,提高大气亮度的估计准确性;最后分析天空出现颜色失衡现象的原因,引入还原控制因子改善视觉效果.实验结果表明,去雾后图像的平均梯度整体提高58.03%,信息熵提高2.88%,运行时间节省50%以上.该方法对含有浓雾、薄雾以及天空等深度复杂的远景图像、近景图像均能得到高对比度、可视度和色彩保真度的恢复效果.     

航天器飞行场景的真实感生成

太空场景及航天器动态飞行场景的真实感生成是计算机图形学研究者面临的新课题．该文提出了一种航天器飞行场景生成的新方法．该方法首先基于天文学的依巴谷星表,采用了基于图像的建模绘制及层次细节简化等技术加速绘制,准确地构造并绘制出不同时刻、不同观察点的地球外星空背景随时间的动态变化;再根据天体物理学原理确定出航天器的飞行轨迹,由此合成产生了航天器的太空飞行场景．然后根据量子光学及等离子体辐射原理对航天器再入大气层的过程进行了建模,确定出其再入轨迹、航天器尾焰和尾迹的颜色和几何形态．最后逼真地绘制出航天器返回时穿越大气不同阶段所产生的特异尾迹形状和发光效果．