基于GPU的屏幕空间镜头水滴实时渲染

为了实时模拟真实性高的镜头水滴,提出一种在可编程图形硬件中实现的镜头水滴渲染新方法。首先三维场景被渲染到一张场景纹理,然后在GPU着色器中为镜头水滴产生不规则边缘接触曲线,使用该曲线快速构建水滴的曲面,最后采用曲面的表面信息并根据水滴的光学属性渲染出水滴的折射效果。采用该方法,可以实时地在屏幕上渲染出镜头水滴效果。使用GPU着色器进行渲染,可以在渲染出效果逼真的水滴的情况下,获得实时的帧率。采用光线折射物理方法渲染出的水滴的效果比直接使用纹理贴图方式获得的水滴的效果更逼真。     

湿地场景的实时动态模拟

实现了一个湿地场景的实时模拟系统,能实时模拟包含数万棵树、数十万棵草,以及自然地形、水面等丰富景观元素的动态湿地场景.为增强场景真实感,提出一种基于环境遮挡的光照算法,以改进几何-图像混合式树木模型的绘制效果;还提出一些高效率的方法近似模拟水面的折射、反射等光学现象,以及晴天、雨天等各种天气条件下的光照效果.在动态模拟方面,结合预计算的关节式形变以及过程式动画2种方法,模拟了树木及花草的随风摇曳效果;还模拟了湖面的微波以及雨天的雨线效果及在水面形成的涟漪,为了提高模拟效率,采用了多种细节层次技术以及最新的GPU加速技术.     

基于CUDA的弱可压SPH流体建模与仿真

为了实现小尺度范围流体场景的实时、真实感模拟,采用弱可压SPH方法对水体进行建模,提出了流体计算的CPU GPU混合架构计算方法。针对邻域粒子查找算法影响流体计算效率的问题,采用三维空间网格对整个模拟区域进行均匀网格划分,利用并行前缀求和和并行计数排序实现邻域粒子的查找。最后,采用基于CUDA并行加速的Marching Cubes算法实现流体表面提取,利用环境贴图表现流体的反射和折射效果,实现流体表面着色。实验结果表明,所提出的流体建模和模拟算法能实现小尺度范围流体的实时计算和渲染,绘制出水的波动、翻卷和木块在水中晃动的动态效果,当粒子数达到1 048 576个时,GPU并行计算方法相较CPU方法的加速比为60.7。     

基于GPU的水底阴影

水体的折射使水底阴影产生了扭曲,无法使用常用的阴影生成算法来直接产生水底阴影．提出一种基于GPU的快速水底阴影生成算法,其充分利用了GPU并行处理像素的能力．首先使用普通阴影算法产生水面阴影贴图,然后根据简化的折射公式快速计算出阴影贴图中每个阴影像素点的折射方向,最后利用地形连续性估算出阴影折射线和水底地形的交点来生成水底阴影贴图．实验结果表明,该算法能够在高帧速率的情况下产生真实的视觉效果,非常适用于三维游戏等实时性要求较高的应用．     

GPU通用计算平台上的SPH流体模拟

针对流体模拟需要大量计算资源从而很难达到实时模拟的问题,提出一种完全在GPU上实现的基于平滑粒子流体动力学的流体模拟方法.首先通过在GPU上构造基于哈希函数的空间均匀网格来实现任意大小场景的快速邻近粒子查找,并在GPU上并行求解SPH流体方程来实现流体模拟;渲染流体时,通过在顶点着色器中进行纹理采样,利用粒子坐标缓存数据直接更新流体粒子系统的顶点缓存,从而避免了CPU—GPU之间的数据传输,充分利用了GPU的并行性.实验对比表明,与纯CPU实现以及CPU和GPU混合实现的模拟结果相比,采用该方法能显著地减少单个时间片的计算时间,大幅度提高流体模拟和渲染的整体性能.     

基于深度网格的大规模森林场景的动态模拟

为了降低大规模森林场景的数据量和较真实地模拟其在风力作用下的动态效果,提出一种完全基于GPU的森林场景动态模拟方法.首先采用一种基于深度图像并重建几何的方法对树模型进行优化,在优化后的模型中内建了多个层次细节,并进行有效的压缩;然后采用随机过程的方法对风场建模,用简化的过程式方法计算风力作用下树的位移和形变.实验结果表明,该方法可以实现以8 MB存储空间和85 MB显存空间为代价、实时模拟数量高达10万棵的大规模森林场景在风场作用下的动态效果,且模拟效果好、质量高.     

基于动态纹理和投影贴图技术的水刻蚀效果仿真

水刻蚀效果作为一种常见的自然现象,而通常基于物理原理进行实时计算的水刻蚀效果模拟方法存在计算量大及逼真度不够等问题,在虚拟现实及游戏场景中很少使用。文中提出了一种基于动态纹理和投影贴图技术的水刻蚀效果模拟方法。用投影贴图技术把预先生成的经过精心处理的水刻蚀纹理投影在场景中,再以动态纹理技术定时替换光影贴图。省去了对反射和折射光线的实时计算,有效地提高了场景的真实度与实时性。同时,还可以灵活设置投影区域及光影效果,生成的光影效果可投射在运动的物体表面上。实际项目应用表明,该方法在大规模场景模拟效果令人满意。     

Web环境下产品虚拟展示系统的场景优化

在Web环境下,由于较慢的网络传输速度和过大的虚拟展示系统场景文件问题,导致展示场景首次加载时间长,场景漫游时出现卡顿和模型闪烁.针对以上情况,提出了双层次细节渐进优化(Gradually Optimize Two Level of Detail)和模型-贴图过渡显示优化方法.GOTLOD技术通过分割场景和异步加载场景文件,使用低精度模型快速搭建展示场景,利用视距远近动态切换不同精度的模型.模型-贴图过渡显示优化技术利用视距改变的差值大小,在模型和贴图间进行多层级切换.实验结果表明,采用GOTLOD和模型-贴图优化技术,场景初次加载时间减少71％,场景漫游时的FPS值提高了3.9倍.该优化技术有效减少了场景加载时间,有效解决了场景高真实度运行时漫游的流畅性问题.     

草地场景碾压效果模拟

草体作为自然场景的一种重要元素,数量众多、覆盖范围广,很难实现实时模拟。针对已有方法存在的问题,提出了一种草体碾压效果模拟方法。利用混合式表达方式构建出大规模静态草地场景,采用基于GPU的实时碰撞检测算法和受力向量传播机制计算视点近处草叶的受力和形变,通过调整布告板斜率模拟中远距离草丛变形。为消除混合式表达方法带来的跳动现象,实现了一种层间动态过渡策略。实验结果表明,该方法能模拟出逼真的草体碾压效果,同时有效弥补了传统算法的缺陷。     

大尺度三维复杂场景中雪动态模拟的方法

在大尺度三维复杂场景中,提出了降雪和积雪快速模拟的方法,采用视景体相关和线性分组变换的方法更新雪粒子系统,改进了降雪绘制的视觉效果。针对场景尺度大、复杂度高的特点,创建视点相关遮挡图（Occlusion Map）来精细绘制近处实体的表面积雪细节,生成积雪灰度纹理图来近似模拟远处地物的整体积雪效果,实现了大场景多细节层次积雪的动态模拟。在积雪绘制过程中,近处积雪细节模拟所需的视景体参数和遮挡图通过CPU获取,将复杂的积雪位置的判定和积雪量的计算从CPU移到GPU中,利用自定义的GPU顶点和片段操作加快了积雪模拟的速度。实验结果表明,在大尺度三维复杂场景交互式操作下,提出的方法能较好地实现雪的绘制和模拟。     

基于动态Impostor技术的树木快速绘制方法

树木快速绘制技术研究一直以来都是计算机图形绘制的一个热点领域,因为树木复杂的细节结构使其在绘制上存在着相当大的困难.提出了一种基于动态impostor技术的树木绘制方法,不仅可以快速地绘制树木,而且具有较高的真实感效果.该方法首先基于树木模型进行平面投影去创建impostor平面,然后将纹理映射到已经创建好的impostor平面上,最后通过绘制impostor纹理平面形成树木图像.当参考视点移动时,可以根据误差来决定是否动态更新impostor平面的内容.     

新型烟花模拟方法

在分析现有的烟花模拟方法的基础上,引入渲染到纹理技术。以多次绘制屏幕纹理的方式,渲染烟花运动过程中产生的尾焰,结合粒子系统方法,使得烟花的模拟速度得到了有效提升;用该方法以及曲线数学模型模拟出了树形、海豚形状的新型烟花。实验结果证明,该方法在模拟烟花数量较多的情况下,较传统方法能够体现出更好的实时性。     

基于三维纹理的实时流体模拟

本文描述了一种利用基于Open GL三维纹理实现的直接体绘制方式显示流体模拟结果的方法。以JosStam的二维流体模拟模型为基础，扩展出三维流体模拟的模型；然后通过将密度场映射到三维纹理空间，实现实时的显示；并通过引入全局光照模型，得到真实感的渲染效果。最后通过与粒子系统进行对比，分析了本方法的显示效果优势。     

实时水面模拟方法研究

提出了一种基于GPU的水面实时模拟方法。该方法不依赖于噪声图,而实现了实时的水波生成、折射和反射效果的菲涅耳合成以及水面光照模型的计算。利用GPU在片段处理前的光栅化处理,该方法渲染负荷不会因水面大小和精度而增大。且依赖GPU的高速计算能力,方法可以达到实时。     

基于纹理数组的大规模地形绘制算法

将Shader Model 4.0引入的纹理数组技术同顶点纹理拾取技术、瓦片块四叉树算法和地形分块技术等相结合,提出了一种基于GPU的大规模地形绘制方法。将整个大规模地形数据分割成地形块,按照金字塔模型保存在CPU内存里,将地形中潜在的可见部分以纹理数组形式驻留在GPU Cache里;在CPU上发送瓦片块四叉树平面网格,利用存储在GPU Cache里的高程值生成相应的地形;GPU Cache随着视点运动而连续更新。实验证明该方法充分利用了现代GPU的特性,适合于大规模地形的漫游。     

基于满二叉树分块策略的大规模数据场纹理映射体绘制算法

针对纹理映射体绘制物理内存空间的限制,本文提出一种可在通用图形硬件上完成大规模数据场实时体绘制的有效方法.该方法基于满二叉树纹理分块策略,利用GPU着色器可编程性,将纹理数据制作为一个一维传递函数查找表和一个规模等同于体数据场的动态纹理工作集,有效提高了大规模数据场体绘制的实时性.动态纹理工作集使用抽象分块与继承关系管...     

基于物理模型的实时烟雾模拟

针对使用直接绘制法渲染烟雾时,在高网格分辨率下实时性差的问题,文中提出了一种新的基于纹理的烟雾渲染算法。该算法采用不可压缩的Navier—Stokes方程作为烟雾模拟的基本物理计算模型,从而保证烟雾物理运动的真实性,同时利用OpenGL中的纹理映射技术渲染烟雾,保证了烟雾渲染效果真实,烟雾模拟细节更能体现出来;另外文中还给出了在烟雾中添加障碍物时边界条件的计算方式。模拟实验结果表明,该算法既能满足烟雾模拟的实时性,又能真实有效地模拟烟雾流动情况。     

基于自适应布告板的三维树木表达方法

植被、地形以及人工建构筑物是三维虚拟地理场景可视化表达的基本内容,树木是植被的主要组成部分.由于树木自然形态的复杂性,其真实感表达非常困难.基于几何模型的树木表达可以产生逼真的细节,但场景实时渲染具有巨大的计算负担,而基于纹理的简化模型在真实感表达上有所欠缺,但具有更好的渲染性能.如何兼顾场景渲染效率与视觉真实感受一直...     

Geometric texture modeling

Texture mapping has become an essential tool in any synthetic rendering scheme that aims at photorealism. Texture mapping typically associates any point on the surface of the rendered object with a location in the texture space. The surface point is then assigned rendering attributes, such as color or translucency from the respective location found in the texture space. Texture mapping techniques have also been used in attempts to emulate highly detailed geometry on the surfaces of objects. The proposed surface detail synthesis approach closes the loop from modeling to rendering using computer graphics texture mapping techniques, bringing them back into the geometric modeling phase. This article focuses primarily on texturing techniques that relate to shape modeling and surface geometry alteration.     

基于三维分枝模型的树木模拟

虚拟自然场景的实时生成一直是图形学研究领域中一个富有挑战性的难题,作为自然场景的重要组成部分,树木的模拟也得到了广泛的重视.本文在实际建模中以三维分枝模型为基础,与随机繁衍L系统相结合,对树木模型进行了一些改进.将光源和重力的影响加入枝段的模型中,使生成树木的形态更加逼真;改进了分枝模式,使得生成树木的随机性得到加强;在绘制时根据不同距离选择不同复杂度的树木模型,加快了渲染的速度.