基于GPU粒子系统的大规模场景高效雨雪实时模拟

粒子系统实现的雨雪效果能有效增强三维场景的真实感,传统基于中央处理器（CPU）运算模拟的粒子系统占用了大量CPU运算时间,难以达到实时模拟的要求。为此提出了一种基于图形处理器的（GPU）运算的粒子系统来模拟的雨雪场景。该方法通过在GPU中重复使用消亡粒子在视点坐标系内生成新粒子,并在几何着色器中将粒子的点坐标转换为矩形坐标,将CPU从复杂庞大的几何运算中解放出来,从而大幅增加了场景绘制的微粒数,使雨雪场景模拟的实时性和逼真度得到增强。     

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.     

基于粒子系统与LOD技术的实时雨雪效果模拟

在虚拟场景中加入雨雪的效果可以大大增加虚拟现实的真实性.粒子系统是模拟雨雪效果的有效方法,但是数量众多的粒子却增加了场景中的顶点数目,给仿真增添了许多困难.通过对粒子系统与LOD技术的深入研究,提出了一种新的应用于大规模场景的雨雪模拟实时算法.该算法的基本思想是结合粒子系统,根据人体视觉深度原理,采用LOD技术,根据粒子与观测点的距离对雨雪的密度进行分级,并对粒子发射器进行优化,提高粒子的利用效率,达到高效仿真的效果.     

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.     

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.     

基于层渲染的CSM

为在大规模场景中产生良好的阴影效果,提出一种基于层的改进型CSM(级联阴影图)算法,通过GPU(可编程图形处理硬件)、几何着色器和层渲染的使用,分割视椎体,对每个视椎体生成阴影图,渲染阴影,解决传统的单Pass阴影图算法的走样问题和多Pass的阴影图算法CSM由于多Pass的原因使得应用的帧率几乎是以Pass数线性降低,而限制了其在大规模场景中应用的问题。实验结果表明该方法在大规模仿真系统(塔台模拟系统)下能够高效真实的渲染出阴影效果,有较高的绘制效率和真实感。     

虚拟校园视景仿真中雨雪的模拟

在建立降雨、降雪过程教学模型的基础上,设计了实时雨雪粒子系统.介绍了该粒子系统的实现方法,包括粒子属性的定义与更新、粒子生命周期控制等.在该系统中,通过控制粒子的可视区域,采用动态的小范围飘雪来代替整个场景的飘雪模拟.实际应用结果表明,该粒子系统能够在虚拟校园的场景中实时地模拟雨雪现象.     

基于汽车驾驶模拟器的实时雨雪效果模拟

针对传统粒子系统模拟动态景物不能兼顾系统的真实性与实时性,提出了一种实时雨雪特效模拟算法。该算法采用LOD技术,根据视点与粒子距离对雨雪进行分级,每级粒子进行不同的层次细节描述,同时引入着色器,充分利用GPU图形流水线的可编程性,将粒子系统的存储和运算交由GPU完成。将该算法应用到基于OSG图形开发包构建的汽车驾驶模拟系统中,仿真结果表明,该算法可以生成逼真的视觉效果,同时满足系统实时性的要求。     

基于粒子系统的三维场地降雨实时模拟

粒子系统是实时模拟三维地形场景中具有真实感的降雨情景的一种有效方法。本文基于粒子系统的基本原理分析并提出了适用的雨粒子系统和雨粒子的属性，采用了把雨粒子产生区域定义为一个视图体顶部的外接长方体、用象素点和直线作为雨粒子的形状、降落过程的重力作用模拟、用粒子组实现雨粒子的连续补充和雨粒子的降落高度检测等新的方法及算法。试验结果表明，该方法能有效地再现三维地形环境场景中的降雨景象，在满足实时交互漫游的前提下表现出较强的真实感，具有一定的实用价值。     

虚拟雪景物理建模与仿真

基于动力学原理建立了雪花飘落的简化运动模型,并在D3D技术基础上,基于粒子系统的原理,绘制渲染了雪花纷飞的动态虚拟场景。提出了简化粒子发射器模型和碰撞检测方法,并对风力模型作了近似,在保证仿真效果的基础上提高了运算速度。实验结果表明,该方法仿真效果较好,速度快,同时能容易地推广应用到其他诸如雨、烟、雾等虚拟场景的绘制中。     

基于粒子系统与OpenGL的实时雨雪模拟

自然景物的模拟一直是计算机图形学中最具挑战性的问题之一。关于水、云、烟．雨、雪等自然景物的模拟，在计算机游戏、三维动画、影视及广告中有着广泛的应用。自然景观中雨、雪的模拟，可以大大提高三维场景的逼真度，Reeves提出的粒子系统是模拟雨、雪的一种有效的方法。论文在分析粒子系统实现原理的基础上，基于OpenGL提出了一种在大型场景漫游系统中实时模拟雨．雪的方法。基本思想是基于OpenGL的多视口与色彩融合技术，把模拟雨、雪的粒子在一个新的视口中视线有效区域内进行绘制，然后与原视口中的场景一起显示于窗口中。实践证明，该方法实现的雨雪模拟效果比较真实，而且在普通PC上也可以满足一般动画的实时性要求。     

一种真实感雪场景模拟方法

探讨已有降雪和积雪模拟方法,针对粒子系统难以同时兼得真实性与实时性的问题,提出一种真实感较强的雪场景实时绘制算法。算法用矩形基本粒子进行纹理叠加映射来建模雪粒子,用温度调节控制雪粒子大小及雪密度大小,归一化生命周期并用于颜色混合。飘雪阶段,引入层次细节(LOD)技术,根据雪粒子真实受力特点模仿其运动过程,并将其受力全面综合考虑并简化,提高降雪模拟效果真实度,并降低计算复杂度。积雪阶段,获取场景模型暴露面及其高度场,以暴露面中点的高度及其点坐标为基础,得到雪粒子落地位置,进而模拟积雪高度变化效果;将整个地面作为地面雪粒子发射器,模拟积雪融化效果,提高真实性。     

基于OSG粒子系统的雪景模拟

为了模拟真实降雪场景,建立逼真的雪景仿真系统,提出了一种基于OSG (open scene graph)粒子系统的仿真模拟技术,建立以雪粒子受力情况分析为核心的自定义雪粒子模型.该模型分析了雪粒子的具体受力情况,随机确定雪粒子的各初始属性,并在每帧中动态的赋予雪粒子不同的风力值以模拟真实降雪场景中的风力情况,解决了传统模型中雪粒子受力不够真实的情况.实验结果表明,自定义雪粒子模型能够更加真实的模拟降雪场景,具有逼真的仿真效果.     

农业场景中下雪和积雪的实时模拟

下雪和积雪是农业场景中常见的自然现象.提出了一种下雪和积雪过程模拟的方法,算法采用粒子系统对雪粒子建模来模拟下雪过程,同时加入了风吹的效果.在模拟积雪时,通过在地面和屋顶构造一层三角形网格来保存雪的堆积信息,避免了保存雪粒子作为积雪实体的内存开销,同时考虑了雪飘落过程中与温室墙壁的碰撞检测.在渲染时,采用了平均法向量和混合顶点颜色的方法来获得平滑的效果.模拟结果表明,该方法能有效地再现农业场景中下雪和积雪场景,在满足实时交互漫游的前提下表现出较强的真实感.     

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。     

基于GPU粒子系统的战场实时雨雪效果模拟

雨雪效果的模拟可大幅提高战场视景仿真的真实感,粒子系统作为模拟不规则自然现象的有力工具,很适合雨雪效果的模拟,传统基于中央处理器(CPU)运算的粒子系统,模拟雨雪效果时存在占用大量CPU时间和系统资源的缺点,针对这个问题,建立了基于图形处理器(GPU)粒子系统的雨雪效果模拟方法,讨论了雨雪粒子系统在GPU上的实现、存储及运算等问题,通过将粒子系统的存储和运算全部交由GPU来完成,充分利用了GPU强大的处理能力和带宽优势,大幅提高了可模拟的雨雪粒子数量,并使雨雪模拟的逼真度和实时性都得到了增强.     

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。     

基于粒子系统的实时降雨、降雪模拟

基于粒子系统理论实现了虚拟环境中降雪、降雨及其在风场中的模拟。首先阐述了粒子系统的基本模拟原理,对在风场影响下的雨、雪特征进行描述与分析,提出了雨、雪模拟的整体思路,结合降雨、降雪的特点和空气动力学理论对雨、雪进行了模拟。改进四点水波纹线性模拟算法,采用八点水波纹线性算法模拟雨滴落入水面形成的水波纹,应用雾化因子实现降雪环境的模糊问题。