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。     

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.     

基于粒子系统和Vega的实时雨雪模拟

在分析粒子系统实现原理的基础上,基于Vega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Vega特效模块粒子属性的设置,采用一种始终面向视点的多边形来表示雨、雪粒子模型.试验结果表明,该方法交互性强,能够有效地再现三维场景中的降雨、降雪景象,在实时交互漫游的前提下表现出较强的真实感.     

基于GPU和粒子系统的三维火焰模拟

基于粒子系统的火焰模拟是可视化仿真中的一个重要环节。目前,一些火焰模拟方法中的不足之处在于粒子计算时间长、渲染效果不真实等。基于粒子系统提出了一种三维火焰模拟算法,并利用GPU加以实现。其基本思想是运用物理动力学原理分析现实生活中的火焰运动,构建出火焰粒子系统模型并实现火焰的三维效果。实验表明,用该方法模拟火焰效果比较真实、速度快,在PC上可以得到令人满意的效果。     

大规模音乐喷泉的实时模拟

音乐喷泉被广泛应用于城市和景区的美化,如何对其进行模拟被越来越多的研究人员关注。提出一种大规模音乐喷泉的实时模拟方法,借助音乐数据建立音乐喷泉的粒子运动模型,通过充分挖掘图形处理器强大的并行处理能力,突破了海量粒子系统实时运动计算及实时绘制的瓶颈,并且针对喷泉水滴的特点,改进了绘制方法,成功地实现了对大规模音乐喷泉的实时模拟。     

一种基于GPU的粒子系统火焰模拟

针对传统火焰模拟耗时、模拟真实性不理想这一问题,提出了一种借助GPU(图形处理器)高通用计算能力进行并行模拟的粒子系统火焰模拟方法.该方法采用基于方位角和仰角的粒子散射器、基于层流火焰轮廓计算公式的火焰外形计算及通过拉格朗日插值方法平滑火焰骨架线等手段提高了素流火焰的模拟真实度.在提高性能方面,该方法使用全局存储空间存储粒子信息,避免了因使用纹理存储而产生的反复绑定的开销,同时结合GPU强大的通用计算能力,通过采用CUDA(计算统一设备架构)编写的并行算法,实现了基于GPU的拉格朗日插值并行求解及并行计算、更新粒子属性,并就如何确定块内线程数量作了论述.实验结果表明,该方法满足了火焰模拟的真实性和实时性要求,且较传统方法有很大的提高.     

基于大规模粒子系统的实时喷泉模拟

本文实现了一种新的喷泉模拟方法,与传统的在CPU上实现算法不同的是,本文算法完全基于计算机图形硬件(GPU)来实现,利用图形硬件的大规模并行计算能力,显著的增加了模拟喷泉的粒子数量,提高了渲染速度,同时减轻了CPU的负载,使整个三维场景的绘制更加高效。     

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。     

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。     

基于GPU自适应的环境遮挡算法

针对传统的环境光遮挡算法中不能自适应的问题,提出了基于GPU自适应的环境遮挡算法.该算法充分利用了GPU并行计算技术和离屏渲染技术,快速计算出适合所载入场景的自适应步长;并将传统环境遮挡采样方法和抖动采样的思想相结合,对采样方法进行了改进;同时也简化了传统环境光遮挡算法中最终遮挡值的计算.实验结果表明,该方法不局限于特定场景,不需要对场景进行预处理,可以准确高效的计算环境光的遮挡情况,并且实现实时绘制.     

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.     

3DGIS环境下雨雪天气实时仿真

3D GIS最重要的特征之一就是虚拟现实表现,其本质是可视化技术与GIS数据库的整合,以满足各种应用如生态农业、灾害预测等方面的需求。以GIS数据库的环境数据和气象数据为基础,通过对雨雪的效果模拟,将GIS气象数据以实时的可视化形式逼真地表现出来。实验方法采用粒子系统,对单个点元赋予利用Photoshop制作的大面积纹理,这样采用的粒子数减少到普通粒子系统的十分之一,渲染速度为普通粒子系统的十倍以上,以较小的系统资源消耗达到了更加实时逼真的效果,对雪的动态堆积和雨水地面效果采用GPU加速3维渲染,原型系统同时能接受用户对实验环境如粒子纹理、雨雪量的设置。提出根据气象数据进行天气模拟的自适应策略,从而更加适应实际应用需要。     

基于GPU的不确定数据流窗口连接运算

在很多新兴应用领域、如传感器网络,实时监控系统等,产生的数据流是不断变化的、连续到达的、数据值可能不确定、且必须被快速处理。其中有些操作,如数据流的实时窗口连接运算,非常消耗时间,这对数据流处理系统的性能提出了严峻的挑战。目前,大多数算法采用软件优化来提高处理速度,但其性能提高有限。利用GPU（图形处理器）的高并行度、多线程、高带宽的并行处理能力,设计了一种软硬件结合的方法来加速处理数据流的窗口连接操作。在CUDA（统一计算架构）下,由CPU控制将内存中的数据传输至GPU存储器中,然后利用多线程进行并行处理。实验验证了提出的方法可以大幅度提高多数据流窗口连接的处理速度,可达到纯软件处理的50倍左右。     

深度剥离与GPU结合的近似软影算法

针对基于阴影图算法扩展的一些近似软影算法中存在的只考虑外半影区而导致的本影区过多估计的问题,提出了一种深度剥离与GPU结合的近似软影实时绘制算法。算法利用GPU的几何着色器来提取场景物体的轮廓边并生成内半影和外半影图元,进而得到整个内外半影颜色图和深度图,最终阴影绘制的时候通过参考阴影图和内外半影图来确定每个可见像素的明暗值,从而得到比以往算法较真实的绘制效果,算法完全在GPU中实现。实验结果表明,对相对不复杂的场景,该算法可以生成较真实的软影效果,且绘制帧率完全达到实时。     

基于GPU的实时雾效模拟

在复杂的三维仿真系统中模拟雾效对系统的实时性和真实性都提出了较高的要求。在分析传统雾效模拟方法的基础上,提出了一种基于GPU的实时雾效模拟方法。基本思想是建立一个表示雾随高度渐变的指数函数,然后根据提出的算法公式在GPU上实时计算出雾浓度,最后将所计算出的雾效因子与片元颜色进行混合计算。实验证明,该方法能够实时生成真实感较强的雾效。