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.     

考虑大气折射的天空场景真实感绘制

传统的天空场景绘制方法大都是基于大气对天空光和太阳光的散射,它们没有细致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,文章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。     

多尺度活动网格在云场景仿真中的应用

目的已有的基于网格的流体仿真方法存在效率低的问题,不利于物体参与交互,提出一种多尺度活动网格方法用于云场景的仿真以及云与物体的交互仿真。方法自动选择全局与局部网格的分辨率,对参与交互的物体建立OBB(oriented bounding box)层次包围盒以提高仿真效率。针对云的粘性系数非常小的特点,简化了它们的运动方程与热动力学方程。基于提出的方法对偏微分方程进行了离散化,在方程离散化处理过程中,采用迎风差分方法以保证仿真过程的稳定性。实现过程中,运用GPU的计算性能提高仿真速度。结果通过云场景的仿真进行了实验,结果表明,可以较为真实地绘制不同时间段的云场景,能满足大规模云场景的仿真需求,实现了云场景以及云与刚性物体交互的实时绘制。结论相比已有基于网格的方法,本文方法可以容易地在GPU上实现,且提高了仿真效率与绘制图像的真实感。     

大规模雪场景的实时绘制

大规模雪场景的真实感实时绘制在虚拟现实、雪灾的预防和救援、军事仿真及游戏设计等领域有着广泛的应用价值,但现有方法难以同时生成大规模动态雪场景的积雪及飘雪效果.为此提出并实现了一种交互式大规模雪场景建模与实时绘制的新方法.为了精细地模拟场景的积雪效果,提出一种基于视点的自适应降雪遮挡图模型,能在实时更新地物的遮挡关系的同时大大减少大规模雪场景中积雪的计算量,并提高了计算精度;对于场景的飘雪,采用一种基于视点的雪粒子分层建模技术来减少雪粒子数量,将视点变换及降雪粒子系统移至GPU中进行加速计算;采用动态多旋转纹理来模拟飘落雪花的形状以增加其真实感;采用几何与纹理混合绘制的方式来减少大场景的复杂度.最终成功地实现了野外和城市两个大规模雪场景的实时漫游,在场景中可看到压雪累累的树枝雪挂景象及轿车上厚厚积雪等冬天美景.     

基于粒子系统的飘雪场景实时绘制

为了实现真实感飘雪场景特效,提出基于GPU加速的飘雪场景实时绘制方法。飘雪场景作为自然环境特效的一部分,一直是虚拟现实领域研究的难点。详细阐述基于GPU加速的飘雪场景实时绘制方法,包括雪粒子的产生、初始化、属性更新、沉积计算、消亡、绘制等过程。给出实验结果与分析,包括飘雪场景、飘雪效果、飘雪沉积等实验。实验证明,该方法是可行有效的。     

基于软粒子的实时沙尘暴仿真

针对沙尘暴仿真中出现的实时性和高效性不能满足用户需求等问题,提出了基于软粒子的沙尘暴仿真方法.采用可编程技术,在GPU上对粒子进行软化,在粒子和场景交互时,能够达到平滑过渡的效果,使其有更强的真实感.在视点周围产生和绘制软粒子,在顶点着色器中对软粒子的属性进行更新,能够达到实时性绘制.根据粒子运动的半径,利用线性插值方法使其能淡入淡出,有效避免了闪烁现象,最终达到实时、逼真、高效的沙尘暴仿真,大幅度提高了三维场景的渲染效率和真实感.     

雪场景真实感的实时建模与绘制

针对计算机图形学中雪场景的真实感渲染的难题,提出了一种实时绘制高真实感雪景的方法。首先采用类衰减正弦函数模拟雪花运动轨迹,在保证真实性的同时大大提高其实时性;然后基于温度变化与不同地表类型影响,提出了实时积雪-融雪模型,通过计算无损失的热传递积雪方程,提高了交互积雪场景动态渲染的真实性;最后采用GPU图形硬件加速技术提高了整个过程的计算效率,绘制效果逼真。     

基于动态网格的云的实时仿真

为实时绘制真实感的云场景,针对已有基于网格的方法效率低下的问题,提出动态网格方法,充分考虑风对云的发展变化的影响.在动态网格上离散化云的运动方程和热动力学方程,根据视距的变化调整网格分辨率.在云的绘制过程中,将Cornette-Shanks相位函数用于多重前向散射模型,并采用GPU加速来提高仿真效率.实验结果表明,提出的动态调整网格分辨率的方法提高了仿真效率,可以实时模拟云与物体的交互和绘制真实感的云图像.     

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GPU的海浪特效实时渲染

对于海浪特效的模拟能有效增强海洋场景仿真的真实感,模拟的实时性也是海洋场景仿真系统的重要需求之一.为了实现基于GPU的海浪特效实时渲染,以PM海浪谱为基础进行了研究,从而生成海浪高度场,并结合视相关反投影方法生成海浪网格,采用硬件着色器进行基于物理光照模型的实时光照处理,生成了具有较强真实感的海面效果,较好地满足了时渲染场景实时性和真实感的要求,达到了实时视景仿真系统中对海洋模块的实时仿真要求.     

晴天天空与太阳的实时仿真

依据大气散射原理,总结了晴天时太阳与天空在各个时刻的颜色及亮度特征,并在全天范围内对其进行了实时仿真.通过对纹理图采样模拟了全天不同时刻的大气Rayleigh散射,提出简化的指数公式模拟大气Mie散射,再利用自调节Key值的高动态范围光照技术实现各个时刻太阳天空及地面的高动态光照亮度.对比分析结果显示,在保证实时性的同时,采用该方法达到了更好的逼真度.     

Simulation of natural daylight illumination determined by a high dynamic range image

The use of high dynamic range images as a source of the natural daylight illumination and a background for virtual scenes containing objects with complex optic properties (fabrics, automobile multilayer paints, etc.) is considered. Physically justified algorithms for calculating the luminance of a point, recognition of the sun, generation of shadows, and background specification are considered. An analysis of the correctness of the available high dynamic range images is performed, and their drawbacks are discussed. Modifications of the algorithms are developed that correct these drawbacks in the case of simulating the illumination based on the sky models adopted by the International Commission on Illumination (CIE). The modified illumination simulation algorithms make it possible to produce more accurate images; moreover, they are automatic, and robust with respect to errors in high dynamic range images. These algorithms are used in several computer graphics systems for generating realistic images. A version of this paper with color figures can be found at http://www.keldysh.ru/pages/cgraph/publications/cgd_publ.htm.     

利用线性插值合成图象

室外场景的光照模拟与图象合成的难点在于场景与光照的复杂性。提出了一种利用现有基图象的线性组合来生成不同天候条件下同一场景图象的方法。它根据光照函数的线性关系,估计不同太阳位置和不同天气状况基图象的系数,从而最终通过基图象的组合来产生目标图象。实验结果表明本文的方法用于固定场景下的图象合成是可行的。     

A Fast Display Method of Sky Colour Using Basis Functions

Computer graphics are being used for visual environmental assessment or architectural designs. Displaying the sky as a background is indispensable in generating photorealistic images for such applications. In this paper, we propose a fast display method of the sky colour by expressing the intensity distribution of the sky using basis functions, even if the sun position and/or the camera position are altered. In the proposed method, cosine functions are used as basis functions. The sun altitude is altered at certain intervals and the distributions of the sky colour for each sun altitude are precalculated and stored efficiently using basis functions. The colour of the sky in the view direction of an arbitrary sun position can be obtained from the stored distributions and displayed quickly. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

关于天空动态仿真技术研究与实现

天空的建模和渲染是计算机图形学领域的一个研究难点,对其研究有着重要的现实和理论意义。从天空的建模方法、光照模型、绘制效率三个方面对天空仿真系统进行了研究。提出了更加适合在户外大场景仿真中应用的球形天空体的建模方法;改进了Fourier合成自然纹理的方法,并将其应用于云彩模拟中;并采用多层天空盒和雾化技术来增加天空仿真的真实效果。实验结果表明,使用文中的仿真算法得到的仿真图像对于提高用户的沉浸感和真实感效果显著。     

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。     

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.     

What Do the Sun and the Sky Tell Us About the Camera?

As the main observed illuminant outdoors, the sky is a rich source of information about the scene. However, it is yet to be fully explored in computer vision because its appearance in an image depends on the sun position, weather conditions, photometric and geometric parameters of the camera, and the location of capture. In this paper, we analyze two sources of information available within the visible portion of the sky region: the sun position, and the sky appearance. By fitting a model of the predicted sun position to an image sequence, we show how to extract camera parameters such as the focal length, and the zenith and azimuth angles. Similarly, we show how we can extract the same parameters by fitting a physically-based sky model to the sky appearance. In short, the sun and the sky serve as geometric calibration targets, which can be used to annotate a large database of image sequences. We test our methods on a high-quality image sequence with known camera parameters, and obtain errors of less that 1% for the focal length, 1° for azimuth angle and 3° for zenith angle. We also use our methods to calibrate 22 real, low-quality webcam sequences scattered throughout the continental US, and show deviations below 4% for focal length, and 3° for the zenith and azimuth angles. Finally, we demonstrate that by combining the information available within the sun position and the sky appearance, we can also estimate the camera geolocation, as well as its geometric parameters. Our method achieves a mean localization error of 110 km on real, low-quality Internet webcams. The estimated viewing and illumination geometry of the scene can be useful for a variety of vision and graphics tasks such as relighting, appearance analysis and scene recovery.     

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.