飘雪场景的实时模拟

自然景物的真实感模拟一直是计算机图形学中的一个富有挑战性的课题，而飘雪场景的实时模拟尤为困难。因为它涉及到复杂的风场建模和风雪的交互作用．在充分考虑风雪具体物理特性的基础上，通过对经典Boltzmann 方程进行离散来构造三维风场，并根据风雪的交互作用规律，建立起雪的飘动、沉积、侵蚀等变化规则，进一步采用一系列简化和加速绘制的方法，具有真实感地实时绘制出不同风速下不同降雪量的风雪场景．     

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.     

风场作用下大规模真实感草地模拟

大规模草地场景的建模及实时绘制很难满足草体的逼真性以及实时性。针对以上问题,文中提出了在风场作用下基于GPU加速的大规模草地场景动态模拟方法。为真实地绘制大规模草地场景的动态效果,利用基于布告板的改进方法,建立了运算简单、草体茂盛效果真实的草体模型;同时,文中针对草体随风摆动的视觉效果设计出相应的数学模型,并利用可编程GPU对场景进行视觉效果优化。实验表明,该方法不仅能够绘制出大规模草体的逼真效果,同时对风场作用的实时变化有很好的支持。     

基于OpenCL的实时KD-Tree与动态场景光线跟踪

目前,基于GPU或多核CPU加速的光线跟踪算法是与硬件相关的.研究具有跨平台性能的实时光线跟踪算法既具有挑战性,又具有很强的应用价值.为此,提出一种基于OpenCL并且跨平台的动态场景实时光线跟踪绘制算法.首先通过对通用GPU并行处理性能进行发掘,将光线跟踪中KD-Tree建立、场景遍历和绘制3个过程均设计在GPU上,而CPU只负责其中各过程的调度,从而充分利用了GPU的计算性能,并有效地降低了数据传输开销;通过设计并行分区、并行SAH、紧密的数据管理以及区间性叶结点存储等算法,在GPU中高效、高质量地建立动态场景的KD-Tree,同时高质量的KD-Tree也有效地加速了场景的遍历速度.该算法以广度优先和大规模并行模式建立K D-Tree,更具通用性,既可以运行于NVIDIA GPU(CUDA GPU),也可以运行于AMD GPU.实验结果表明,文中算法可以在NVIDIA GPU和AMD GPU上对中等规模的动态场景实现实时光线跟踪绘制.     

GPU在实时阴影绘制中的应用

实时阴影在增强三维场景真实感方面起着非常重要的作用。阴影体算法是实时阴影绘制中效果非常理想的一种方法。但是随着场景复杂度的增加,该算法计算量比较大,将导致绘制效率的降低。另一方面,随着可编程GPU技术的发展,GPU的渲染速度远远大于CPU,为提高三维场景的渲染效率提供了更大的空间。在此基础上,介绍了一种在GPU上生成阴影体的方法,加速实时阴影绘制。利用图形硬件的图形处理单元（GPU）的运算能力和可编程性,将生成阴影体的大量计算从CPU转移到GPU,从而有效地提高实时阴影的绘制效率。     

真实感海底场景的实时绘制

海底场景的仿真对于动画游戏、海洋勘测、航海驾驶、灾害救援等有着重要的应用意义。由于涉及更加复杂的海水与光线、地形等的交互,海底场景中的复杂刻蚀、光束、散射等效果是实时绘制海底场景的难点。基于海底环境的物理机理,首先提出基于线框绘制模式结合高斯滤波的方法来模拟精细的刻蚀效果,采用贴近真实的散射相位函数计算海底散射来模拟水下海水颜色,采用柱面组织的光束算法来模拟海底光线效果,并进一步给出一种基于空间划分的海底场景绘制优化方案,最后基于GPU加速技术实现了不同情况下的真实感海底场景的实时绘制。     

基于GPU的网格模型平滑阴影的实时绘制

为了绘制边界平滑的阴影效果,增强虚拟场景的真实感,提出一种基于GPU的平滑阴影实时绘制的算法.该算法通过重新定义阴影轮廓线得到网格模型上的精确阴影轮廓边界,利用阴影体算法获得边界平滑的阴影区域;阴影轮廓线的计算生成及阴影Ⅸ域的绘制等过程利用GPU进行加速,可以实时绘制物体的阴影区域.实验结果表明,文中算法生成的阴影边界比已有算法更加平滑,并且在效率方面强于其他算法.     

基于BRDF 和GPU 并行计算的全局光照实时渲染

基于光线追踪,将屏幕图像像素分解为投射光线与场景对象交点面片辐射亮度和 纹理贴图的合成,每个面片的辐射亮度计算基于双向反射分布函数(BRDF)基的线性组合,并通 过图形处理器(GPU)处理核心并行绘制进行加速,最后与并行计算的纹理映射结果进行合成。 提出了一种基于BRDF 和GPU 并行计算的全局光照实时渲染算法,利用GPU 并行加速,在提 高绘制效率的前提下,实现动态交互材质的全局光照实时渲染。重点研究：对象表面对光线的 多次反射用BRDF 基的线性组合来表示,将非线性问题转换为线性问题,从而提高绘制效率; 利用GPU 并行加速,分别计算对象表面光辐射能量和纹理映射及其线性组合,进一步提高计算 效率满足实时绘制需求。     

GPU支持下基于粒子系统编辑器的特效技术研究

针对粒子系统在计算机游戏特效设计过程中所存在的控制精度不高、运算量大等问题,提出了一种通过粒子系统编辑器生成粒子并基于GPU进行实时渲染的方法.使用粒子系统编辑器能有利于提高粒子系统制作的可控性,而基于GPU的仿真绘制则能够提高大规模粒子系统渲染的实时性.实验证明,GPU支持下的可编辑粒子系统能有效提升计算机游戏开发中...     

脉动风场中的飘雪模拟

飘雪场景的模拟可以大大提高虚拟场景的逼真效果,其中风场的建模是重要的环节.为更真实的表现风的随机性,本文基于格子BGK建立风场,用D3Q7模型改进三维风场的建模方法,引入湍流强度的概念描述风场的湍流程度,根据地表面的粗糙程度和离地高度确定其大小,实验表明该方法能更好的增强模拟风场中飘雪场景的真实性.     

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.     

Real-time snowing simulation

A snowing scene has a unique fascination for people due to its incomparable beauty. However, little work has been presented on the real-time generation of a dynamic snowing scene, partially due to the difficulty that the simulation of a dynamic snowing process involves the complex modeling of the wind field and the interaction between wind and snow. In this paper, by fully considering the physical characteristics of wind and snow, we construct a three-dimensional wind field based on the discrete form of the Boltzmann equation. According to the interaction laws between wind and snow, we simulate the falling of snow, deposition and erosion in 3D space. Experimental results show that realistic wind-driven snow scenes under different speeds of wind with different amounts of snowfall can be rendered in real-time.     

飞行视景仿真中雨雪特殊效果的实现

对降雨、降雪的模拟是飞行视景仿真中的1项重要内容。以VC＋＋6．0为开发平台,采用Vega仿真工具软件,用粒子系统方法实现了对降雨、降雪过程的模拟。仿真结果表明用该方法模拟降雨、降雪过程比较逼真,速度快,容易满足系统的实时性要求,适合在直升机飞行模拟器的开发中应用。     

基于GPU粒子系统的大规模雨雪场景实时模拟

基于粒子系统的雨雪模拟大幅提高了三维场景的真实感,但传统的基于中央处理(CPU)的粒子系统的渲染效率难以达到在大规模场景中进行雨雪渲染的要求.为此,提出了一种基于GPU的粒子系统来渲染雨雪场景的算法.该算法在视点前的一个固定区域内产生和绘制粒子,在顶点着色器中进行粒子属性的更新,在几何着色器中将粒子从点扩展为矩形,并对每一帧中的粒子的属性进行缓存处理,保证了粒子属性更新的连续性.此外,采用多幅雪花纹理与粒子随机组合,使雪花效果符合多样性和随机性.实验结果表明,该算法能在大规模场景中进行雨雪效果的实时渲染,并有较高的真实感.     

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.     

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.     

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。     

可扩展的实时自然景物模拟算法

针对传统的粒子系统实时仿真存在只能针对单一自然景物模拟、计算耗时、图像不真实、算法复杂等问题,提出了一种基于粒子系统和图形处理器（GPU）加速通用可扩展的自然景物模拟算法。在该算法中,粒子的物理运动计算过程和渲染阶段完全由CPU转移至GPU,可以增加粒子数量和提高渲染速度;同时,在渲染过程中,可以较好地利用硬件支持的粒子图技术来改善渲染中粒子的外表,选择不同纹理,从而能够较方便地模拟不同的自然景物。最后,在GPU上实现了雪花、喷泉、烟花、瀑布等模拟,算法充分利用了GPU的多通道并行处理性和可编程性,提高了自然景物模拟的实时性,可运用于虚拟现实系统。     

基于GPU的大规模人群疏散模拟*

基于中央处理器(CPU)串行的人群疏散传统方法对于人群规模较少的场景,可以得到良好的疏散模拟效果,但在人群密度较高的场景中,难以达到实时模拟的要求。为了克服上述问题,实现了一种基于图形处理器(GPU)的人群疏散模拟的方法。该方法通过对个体寻径算法的优化,不仅能使个体快速准确地智能寻径,而且将个体寻径独立性与图形处理器高性能计算特性进行结合,充分利用了图形处理器强大的并行计算能力,从而大幅度提高了人群疏散模拟的人群规模,使人群疏散模拟的实时性得到增强。