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《国防科学技术大学》 2010年
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基于气象数据的云景真实感模拟技术研究

徐江斌  
【摘要】:在虚拟战场、虚拟地理环境、影视动画、三维游戏和气象研究等众多应用领域中,云景的模拟成为增强自然场景真实感的重要元素。近年来,随着虚拟场景的渲染技术的发展,云的模拟表现也成为计算机图形学和虚拟现实技术中的热门课题。云的真实感模拟不仅能有效提高场景逼真度,更能传达丰富的天气信息。对云的真实感模拟能帮助用户更直接的接受和理解天气信息,为其制定各种受天气影响的活动计划提供必要的信息支持。 然而,目前对气象数据中的云数据表现大多采用的是云图表现方式,提供的是云的二维视图,难以满足视点靠近云体时的视觉要求。图形学或一些具体的应用中对云的可视化模拟研究则主要集中在研究建模和渲染的具体算法,涉及的数据量有限,基于大规模气象数据的云表现方法还有待进一步深入研究。 本文围绕基于气象数据的云景真实感模拟这一问题展开研究,研究内容涵盖了基于多尺度气象数据的云的建模、数据组织和有效的绘制等方面的问题。在研究过程中,有针对性的提出了一些新思路和新算法。具体来说,本文的创新点和贡献主要体现在以下几个方面: 提出了基于草图的多层次的过程隐式云建模方法。针对地面观测气象数据,在用户输入草图的基础上,设计了一种草图膨胀算法解释草图,同时设计了多层次元球拟合算法拟合草图膨胀场,生成云宏观形状。研究了分级噪声添加的细节增强技术构建细节层次,细节创建时保持宏观结构不变;同时,设计了一个自动生长的粒子系统创建细节元球。利用这种多层次过程隐式建模方法生成的模型即符合草图定义的基本形状,又具有逼真的云外形特征。此外,给出了硬件加速的体绘制算法实时渲染建模结果,提供交互式建模能力。 针对大尺度气象观测数据,提出了元球拟合的云数据场生成算法,拟合元球的参数利用误差控制方法进行最优化调整。设计了一种基于小波噪声的高分辨率细节生成算法,将高分辨率细节合成到原始数据场中,生成的细节与原数据场结构一致。研究了多级云数据层次组织方法,通过云结构相关的数据划分,结合小波分析,采用四叉树和八叉树对整体数据场进行组织,有利于大尺度数据的绘制。 基于云的运动方程,给出势场控制云运动的基本思路和具体势场的设计与计算方法;提出了基于边界吸附力的运动控制方法。根据云的热力学方程,提出了利用相态和潜热的控制影响运动过程的方法,利用这些控制作用,使云的运动朝着逼近目标形状场的方向进行,且运动过程符合云的基本变化规律。 讨论了光照模型的离散化方法,提出了光照的分步算法,平衡分配计算任务,减小协调绘制压力;分析了散射相函数的特性,在此基础上提出了基于光照纹理的加速绘制技术。给出了大规模数据的调度、加速和缓存策略,有效加速绘制。基于云数据的结构属性和视点参数,设计了多种绘制方法相结合的绘制策略,在满足视觉精度要求的同时避免了不必要的数据绘制,加快了绘制速度,使绘制性能满足可交互式要求。 设计并实现了一个虚拟战场云景表现原型系统。对基于气象数据的云景真实感模拟技术的研究成果和算法实践进行了应用验证,并在相关项目中得到应用。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP391.41

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【参考文献】
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