碩士論文三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用

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1、大連理工大學 碩士學位論文 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 姓名:蓋印 申請學位級別:碩士 專業(yè):計算機應(yīng)用技術(shù) 指導(dǎo)教師:遲忠先 20050301 三絲望!盟鲞皇望壑塑型塹塞量些些L—— TheResearchandApplicationoftheWeatherPhenomena Simulationin3DGIS Abstract "fhee—dimensionalGeographicInformationSystem(3Dors)hasbeenanimportant researchfocusduringthepasttwodecades.3Dvisua

2、lizationisallimportantresearchsubjectin 3DGIS.Atpresent、someresearchhasbeendevelopedintheresearchof3Dvisualization,but someofthem,suchasreal.timerenderingoflarge—scalesceneandvisually-realisticsimulation ofscene,needtomakeadetailedinvestigationandsystematicresearch. Atpresengthetechniquesofsimul

3、atingweatherphenomenaismainlyphysically-based, thenappropriatelysimplifymathematicsmodels.Ifdirectlyapplyingthesetechniqueson3D GIS,withtheconditionofthecurrenthardwareperformance,therequirementoftheapplication isimpossibletobesatisfied.So,thesimulationinthispaperisdirectedbyactualapplication,to

4、 makestarerealistic-lookinganimationandreal-timerenderingeffects. Thispaperisbasedontheactualdevelopment&the‘‘3DWeatherDemoSystem’’bythe author,makesvisualizationdevelopmentandresearchmainlyfromseveralweatherphenomena. Ontheresearchofskybackground,thispaperadvancescharacteristicfunctionsbasedonth

5、e analysisofthevariationsinskycolorandimplementsthecolorcomputationofdifferentvertex ontheskydome.Ontheresearchofclouds,thispaper,focusedonthereal-timerenderingand realistic—lookinganimationofstaticparticleclouds,putsforwardsthespatialindextechnology ofclouds,andcombineswiththesimplifiedtheoryof

6、atmospherescatteringandtherendering techniqueof3Dspatialobjectstojncreasethefrmnerate.Ontheresearchofminandsnow,this paper,basedontheadvancedparticlesystem,thispaperanalyzesthecharacteristicsofraindrop andsnowflakerespectivelyandsimulatesthephenomenaofrainfallandsnowfall. Inconclusion,basedonthe

7、referencetoandthecombination、vithrecentresearchfruits. thispaperadvancessomemethodstosimulateseveralweatherphenomena,suchassky, atmosphere,clouds,rain,snow,andsoon.Accordingly,thispapercompletesrealistic—looking animationandreal—timerenderingeffectsin3DGIS.Thesemethodsthattheauthorproposesin thi

8、spaperhavebeensuccessfullyembeddedinthe‘'3DWeatherDemoSystem”,andtheresult issatisfying. KeyWords:3DGIS:visuaIization;simulationofweatherphenomena:teal- timerendering .II— 一 _大壟堡三查堂堡主堂垡堡莖 ———————————————————————————————_一 一 1緒論 1.1三維GIs概述 1。1.1三維GIS的定義 從不同的角度出發(fā),GIS有三種定義: (1)基于工其箱的定義,認

9、為GIs是一個從現(xiàn)實世界采集、存貯、轉(zhuǎn)換、顯示空間 數(shù)據(jù)的工具集合; 陀)數(shù)據(jù)庫定義,認為GIS是一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),在數(shù)據(jù)庫里的大多數(shù)數(shù)據(jù)能被索引 和操作,以回答各種各樣的問題; (3)基于組織機構(gòu)的定義,認為GiS是一個功能集合,能夠存貯、檢索、操作和顯 示地理數(shù)據(jù),是一個集數(shù)據(jù)庫、專家和持續(xù)經(jīng)濟支持的機構(gòu)團體和組織結(jié)構(gòu), 提供解決環(huán)境問題的各種決策支持。 基于工具箱的定義強調(diào)對地理數(shù)據(jù)的各種操作,基于數(shù)據(jù)庫的定義強調(diào)用來處理空 間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)組織的差異,而基于組織的定義強調(diào)機構(gòu)和人在處理空間信息上的作用, 而不是他們需要的工具的作用。 TURNER認為“Geographic

10、alInformationSystem”主要用來區(qū)分純粹的二維GIS與 三維GIS。為區(qū)分三維GIS與現(xiàn)今世界上比較成熟的流行的各種二維商業(yè)GIS,這里傾 向于BREUNIG的觀點,認為三維GIS是布滿整個三維空間的GIS。與傳統(tǒng)的基于平面 的二維GIS或2.5維GIS明顯不同,尤其體現(xiàn)在空間位置與拓撲關(guān)系的描述及空間分析 的伸展方向上。三維GIS加上對時間維的處理,即為四維GIS[1,21。 1.1.2三維GIS的研究現(xiàn)狀 三維GIS理論和技術(shù)經(jīng)過多年的研究和探索,已取得了很大成果,并且在應(yīng)用要求 較為強烈的某些專業(yè)部門,如采礦、地質(zhì)、石油等領(lǐng)域建立~些具體系統(tǒng)。但迄今為止

11、仍沒有一套系統(tǒng)完整的理論,沒有成功的通用平臺,因此在以后相當長的時間內(nèi)三維 G1S將是發(fā)展的重要研究內(nèi)容。以下從三維數(shù)據(jù)獲取、三維空間數(shù)據(jù)模型、三維拓撲關(guān) 系的描述和表達、三維可視化和三維空間分析等幾方面評述了三維GIS研究進展[3】。 (1)三維數(shù)據(jù)的獲取 由于理論和技術(shù)水平的限制,三維空間信息的獲取能力相對較弱是阻礙三維GIS發(fā) 展的一個重要原因。一旦能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間信息的實時廉價獲取,三維GIS將會有更迅 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 猛的發(fā)展。目前常用的三維數(shù)據(jù)獲取方法主要有:地形圖和建筑圖紙相結(jié)合的城市三維 信息獲取、航空航天遙感、激光掃描儀、混合集成方法、

12、車載移動測繪系統(tǒng)。 但)三維空間數(shù)據(jù)模型 空間數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實世界的一種抽象、歸類及簡化的描述。三維空間數(shù)據(jù)模型是 研究三維空問的幾何對象的數(shù)據(jù)組織、操作方法以及規(guī)則約束條件等內(nèi)容的集合。典型 的三維空問數(shù)據(jù)的表示方法可以分為體的表示法和邊界面的表示法。常用的體的表示法 是將三維空間對象視為體單元的集合[4,5】?,F(xiàn)有的三維空間數(shù)據(jù)模型可以分為基于柵格 結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型、基于矢量結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型和混合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型。 (3)三維窄間關(guān)系捕述和表達 完備和形式化的空間關(guān)系描述與表達是設(shè)計空間查詢語言的關(guān)鍵,是實現(xiàn)有效空間 查詢的前提,同時也是空間分析的基礎(chǔ)??諉栮P(guān)系包括度量關(guān)系、拓撲

13、關(guān)系和方向關(guān)系 三類。其中,度量關(guān)系是定量關(guān)系,拓撲關(guān)系和方向關(guān)系屬于定性關(guān)系,在定量和定性 關(guān)系之間可以相互轉(zhuǎn)化。度量關(guān)系指描述目標關(guān)系的某種度量空問中的數(shù)值量,如距 離。拓撲關(guān)系,即拓撲變換下的拓撲不變量,它只考慮空間實體間的位置關(guān)系,如相 鄰、相交??臻g關(guān)系表達指存儲和組織空間目標問的空間關(guān)系并構(gòu)建相應(yīng)的檢索方法。 為了表達三維空間對象的拓撲關(guān)系,一些學者開發(fā)了基于拓撲關(guān)系的數(shù)據(jù)模型。 (4)三維可視化 隨著三維圖形硬件芯片的出現(xiàn)和OpenGL、Direct3D三維軟件標準的建立,地形三 維可視化逐漸由夢想變成了現(xiàn)實。地形的可視化是--fq以研究數(shù)字地形模型或數(shù)字高程

14、域的顯示、簡化、仿真等內(nèi)容的學科,它屬于計算機圖形學的一個分支。它的應(yīng)用涉及 地理信息系統(tǒng)(GIS)、虛擬與現(xiàn)實(VR)、戰(zhàn)場環(huán)境仿真、娛樂與游戲、地形的穿越 飛行、土地管理與利用、氣象數(shù)據(jù)的可視化等領(lǐng)域。三維可視化是三維GIS的一項基本 功能。在建立、維護和使用三維GIS系統(tǒng)的各個階段,不論三維對象的輸入、編輯、存 儲、管理,還是對它們進行操作分析或是輸出結(jié)果,都存在三維對象的幾何建模與三維 可視表達問題[6]。 (5)三維空間分析 GIS的核心是空問數(shù)據(jù)庫、空間查詢和空間分析。三維空間分析,就是真接在三維 空間中進行空間揉作與分析,并對空間對象進行三維表達與管理??臻g分析應(yīng)

15、該是面向 用戶的,通過空間分析解決用戶特定的問題,為決策者直接提供決策支持。但是,由于 現(xiàn)在三維GIS空f剛分析的種類及數(shù)量都很少,只能滿足簡單的編輯、管理、查詢和顯示 要求,不能做到?jīng)Q策層次上來。因此,研究開發(fā)GIS的基本空間分析及將各領(lǐng)域的專家 ,2. 大連理工大學碩士學位論文 知識嵌入GIS中,是三維GIS發(fā)展的一個重要方面。三維空間分析除了包括二維GIS 的分析功能外,還應(yīng)包括針對三維空間對象的特殊分析功能,具體包括:空間查詢、空 間量測、疊置分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析、地形分析、剖面分析和空間統(tǒng)計分析。 1.1.3三維GIS在氣象方面的發(fā)展現(xiàn)狀 目前在氣象預(yù)報

16、相關(guān)領(lǐng)域,計算機技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用,主要包括數(shù)據(jù) 庫、數(shù)據(jù)處理、決策支持、多媒體演示、氣象服務(wù)系統(tǒng)、基于Web的應(yīng)用等。然而, GIS技術(shù)在氣象方面的應(yīng)用只是局限于氣象數(shù)據(jù)處理、WebGlS監(jiān)控系統(tǒng)等,可以說, G]S技術(shù)在氣象預(yù)報相關(guān)領(lǐng)域還沒有得到廣泛的應(yīng)用。 隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及三維可視化技術(shù)的快速發(fā)展,氣象預(yù)報領(lǐng)域與之相關(guān)需求也 不斷提出。目前幾乎所有的電視天氣預(yù)報都是通過圖、表、文字、數(shù)字、符號等信息為 觀眾提供近期天氣情況,而沒有將真實的天氣情況直觀的展現(xiàn)出來。雖然說觀眾已經(jīng)習 慣了這種方式,但是,將天氣預(yù)報數(shù)據(jù)用可視化的方式展示給用戶一定會成為未來發(fā)展 的

17、趨勢。同時隨著應(yīng)用范圍的不斷擴大,也將進一步促進三維可視化、虛擬現(xiàn)實等相關(guān) 技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。 ; 目前三維GIS技術(shù)還沒有被廣泛應(yīng)用于氣象預(yù)報領(lǐng)域,三維GIS技術(shù)在氣象模擬 研究領(lǐng)域僅僅是用來研究的工具。氣象模擬的研究成果被推向應(yīng)用,特別是存在大量地 形、地物數(shù)據(jù)的應(yīng)用,主要面臨兩方面的困難: (1)天氣現(xiàn)象的三維模擬算法的實現(xiàn) 由于天氣現(xiàn)象受多方面的影響,所以它們是多變的,不易得到規(guī)律的。設(shè)計有效的 算法模擬多變的、沒有穩(wěn)定變化規(guī)律的天氣現(xiàn)象,這是實現(xiàn)上的首要問題。同時氣象數(shù) 據(jù)的復(fù)雜程度也很大程度上影響了算法有效的設(shè)計和實現(xiàn)。雖然目前計算機硬件技術(shù)水 平得到了迅猛的發(fā)展

18、,但是在算法上的設(shè)計與實現(xiàn)的難度仍然是制約氣象模擬的一個瓶 頸。 (2)三維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量、計算量與系統(tǒng)效率、效果之間的矛盾問題 對于氣象預(yù)報應(yīng)用來說,系統(tǒng)不僅有大量的氣象數(shù)據(jù)需要處理和計算,同時還有海 量的地形數(shù)據(jù)、地物數(shù)據(jù)等。從系統(tǒng)應(yīng)用的角度來說,不僅要將各類天氣現(xiàn)象模擬出 來,而且還需要考慮系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大帶來的一系列問題。 最近幾年,隨著計算機軟硬件水平的不斷提高,加之天氣現(xiàn)象的三維模擬算法的改 迸,氣象模擬研究工作已經(jīng)取得了較大的進展,很多研究成果的演示效果都非常逼真。 然而這樣的演示效果是有局限性的。首先這些算法設(shè)計比較復(fù)雜,計算最大,單純演示 天氣現(xiàn)象就需要極高的計算

19、機配置。這些算法往往不能有效的融入到應(yīng)用系統(tǒng)中去,其 -3, 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 主要原因就是沒有考慮應(yīng)用自身的其它問題,比如海量地形數(shù)據(jù)、地物數(shù)據(jù)等。也就是 說,麗向應(yīng)用的時候要解決一個重要的問題:系統(tǒng)效率和演示效果的矛盾。最終實現(xiàn)的 應(yīng)用既要有好的數(shù)據(jù)建模效率,又要有良好的演示效果。 1.2天氣和天氣現(xiàn)象 天氣與人們的生產(chǎn)、生活以及軍事活動的關(guān)系十分密切。人類預(yù)測天氣的愿望和要 求由來已久。起初人們根據(jù)肉眼觀測到的天象、物象來判斷當?shù)靥鞖夂蜌夂虻淖兓:? 來人們把長期觀察到的天氣現(xiàn)象與天象、物象問的聯(lián)系,用于預(yù)報天氣。本章介紹的各 種天氣現(xiàn)象的概念和

20、理論均來自文獻【7,8】。 給出天氣和】天氣現(xiàn)象在氣象學中的概念如下: 一天氣是指經(jīng)常不斷變化著的大氣狀態(tài),既是一定時惻和空間內(nèi)的大氣狀態(tài),也 是大氣狀態(tài)在一定時間間隔內(nèi)的連續(xù)變化。所以可以理解為天氣現(xiàn)象和天氣過 程的統(tǒng)稱。 一天氣現(xiàn)象是指發(fā)生在大氣中的各種自然現(xiàn)象,即某瞬時內(nèi)大氣中各種氣象要素 (如氣溫、氣壓、濕度、風、云、霧、雨、雪、霜、雷、雹等)空間分布的綜 合表現(xiàn)。 下面介紹的幾種天氣現(xiàn)象是本文后面章節(jié)主要研究的內(nèi)容。 (1)大氣 地球是由水圈及生物圈所組成。包圍地球的氣體外殼稱為地球大氣,簡稱大氣。由 于地球引力的作用,大氣質(zhì)量的1/2集中在6千米高度以下,3/

21、4質(zhì)量集中在lO千米高 度以下,99%的質(zhì)量集中在35千米高度以下。 大氣是由各種氣體及懸浮在空中的液態(tài)和固態(tài)微粒所組成的混合物。大氣可以大致 分為干浩空氣、水汽、微粒雜質(zhì)和新的污染物。地球上一切有生命的東西都離不開大 氣,大氣對地球上生物有著重要的作用。同時,在大氣中進行著各種不同的物理過程, 產(chǎn)生著各種不同的物理現(xiàn)象。大氣中有時風起云涌,雨雪紛飛;有時云消風靜,晴空蔚 藍。這些天氣現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展,直接或間接地與大氣的成分、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)有關(guān),所 以,對大氣的研究能使我們更逼真地模擬各種天氣現(xiàn)象。 (2)光在大氣中傳播 光是一種電磁波,大氣是一種成分和狀態(tài)都很復(fù)雜的介質(zhì)?!?/p>

22、面,大氣是可以被 光穿透的連續(xù)介質(zhì),當日月光或其它光源發(fā)出的光在大氣中傳播時,會受到衰減;另一 方面,大氣又是由空氣分子和水滴、冰晶及其它各種氣溶膠粒子組成的,它們都會與光 波發(fā)生相互作用。由于大氣的不均勻性,以及大氣總處于不停頓的復(fù)雜運動之中。大氣 .4. 大連理工大學碩士學位論文 對光的折射、衍射、散射和吸收作用是復(fù)雜多交的,從而形成了多種多樣、絢麗多彩的 大氣光學現(xiàn)象,它們可作為未來天氣變化的征兆。 (3)云、雨和雪 水從海洋、江河、湖泊、潮濕的土壤通過蒸發(fā)或蒸騰成水汽進入大氣,而后隨氣流 輸送到其它各地和空中各不同高度處。在一定的條件下,大氣中的水汽又會凝結(jié)或凝

23、華 成云霧滴。若云霧滴迸一步增大就會形成降水。所以,蒸發(fā)、凝結(jié)、云的形成及云中降 水所有這些過程都是緊密相聯(lián)的,它們各是整個自然界水分循環(huán)的個別環(huán)節(jié)。 1.3本文的研究內(nèi)容及組織方式 本課題屬于G1S的三維可視化研究領(lǐng)域,研究要解決的問題是幾種主要的天氣現(xiàn)象 的真實感模擬和實時繪制技術(shù)的實現(xiàn)。 具體研究內(nèi)容和組織方式如下: ●緒論。介紹三維GIS的定義、研究現(xiàn)狀及在氣象方面的發(fā)展情況:描述幾 種常見的天氣現(xiàn)象;闡述本文的研究內(nèi)容和組織方式。 -天空背景的模擬研究。分析天空背景變化的規(guī)律;提出符合變化規(guī)律的特 征函數(shù);完成天空背景的三角形分割繪制。 _云的模擬研究。結(jié)合圖形

24、硬件可編程接口完成Harris的光散射簡化模型計 算;采用八分樹索引技術(shù)和三維空間對象替代紋理繪制技術(shù)加速大規(guī)模粒 子云的實時繪帶4速度。 一雨和雪的模擬研究。完成通用、高效、可擴展的粒子系統(tǒng)設(shè)計;實現(xiàn)基于 粒子系統(tǒng)的動態(tài)降雨和降雪仿真。 一天氣現(xiàn)象模擬研究的應(yīng)用。介紹某戰(zhàn)區(qū)氣象演示系統(tǒng);具體展示了本文研 究內(nèi)容的應(yīng)用效果。 .5. 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 2天空背景的模擬研究 天氣現(xiàn)象的模擬一般都要以天空作為背景,但是對天空的模擬并不是單純地畫一片 藍色那樣簡單,天空顏色是隨著時間和空間的變化而變化的。 大氣散射物理學對于理解天空顏色是至關(guān)重要的,但是

25、,物理精衡陛并不是本章研 究的重點。研究的主要內(nèi)容是實現(xiàn)符合視覺效果的天空背景生成和繪制算法,研究的主 要目標是視覺上的真實感,研究的目的是模擬出天空顏色隨著太陽位置和觀察高度改變 的變化規(guī)律,研究的方法必須快速高效,以便把更多的資源留給三維GIS的其他任務(wù)。 2.1天空顏色的變化規(guī)律 太陽光在到達地球表面前要經(jīng)過大氣的吸收、散射、反射或折射。人的眼睛根據(jù)可 見光的波長分辨出不同強度和顏色。 光的衰減是由吸收和散射引起的。只有在臭氧層人們一般才+考慮光的吸收【9】。所 以,對于臭氧層下面的大氣人們一般只考慮光的散射作用。光的散射就是由于介質(zhì)中存 在的微小粒子(異質(zhì)體)或者分子

26、對光的作用,使光偏離原來的傳播方向而向四周傳播 的現(xiàn)象。介質(zhì)的大小和波長不同散射作用也不同,所以人們看到的散射光和入射光是不 同的。 任何類型的電磁波在大氣中傳播都受散射的影響。散射強度和介子大小與入射 光波長之間的比率有關(guān)。如果介質(zhì)大小相對小于入射光波長(“^/10),發(fā)生的是 瑞利散射;如果介子相對較大(r≥^/10),發(fā)生的是米氏散射[10.14]。 純凈的天空呈現(xiàn)出藍色是光在大氣中傳播的過程中發(fā)生散射的結(jié)果。根據(jù)瑞利散射 定律,紫色和藍色光的散射強度較大,黃色和紅色光的散射強度較小。再加上眼睛對紫 色光相對不敏感。所以純凈的天空一般呈現(xiàn)出藍色。大氣中還有一定數(shù)量的塵埃和

27、水 汽。這些異構(gòu)體發(fā)生米氏散射,所以,一般人們看到的天空不是純凈的藍色。 天空的顏色和明暗的變化也是很復(fù)雜的。除了瑞利散射和米氏散射的共同作用外, 天空顏色明暗分布還與太陽位置有關(guān)。如圖2.1所示。圖2.1中,天頂表示天空的至高 點,觀察路徑表示觀察的方向,‰:表示太陽方向與天頂方向間的夾角,‰表示視線方 向與天頂方向的夾角,e表示太陽方向與視線方向的夾角。 人眼觀察到的天空顏色可以總結(jié)為以下三個效果合成的結(jié)果【9】: ●朝向太陽的方向,天空的亮度逐漸增強,顏色逐漸變白。如圖2.2陽)。 一太陽視線夾角e為90度,天空最暗,籃色最濃。如圖2.2(∽。 一朝著地平線方向,天空的

28、亮度增強,顏色由深藍逐漸變自。如圖2.2fc)。 .6. 大連理工大學碩士學位論文 ,一圖2.1天空顏色變化規(guī)律中使用的角度參數(shù) Fig.2.1Theanglesabouttheruleoftheskycolorastheyareused (a)太陽周圍明亮區(qū)域(b)天空最暗藍色最濃區(qū)域(c)接近地平線漸變 圖2.2天空顏色受三個主要效果的影響 Fig?2.2Thecoloroftheskycanbedescribedasaninterchangeofthreeeffects 第一個效果是米氏散射的結(jié)果。米氏散射的對方向的強烈依賴性,導(dǎo)致了朝著 太陽方向亮度迅速變化,米氏

29、散射對光波波長的較弱依賴導(dǎo)致了亮白色。 第二個效果是瑞利散射的結(jié)果。由瑞利散射定律得出,太陽視線夾角B為90度 時,散射強度最小。 第三個效果是大氣濃度的結(jié)果。大氣對藍光和紫光的散射較強,對紅光和黃光 的散射較弱。藍光和紫光對天空顏色的影響較多,尤其是在濃度較高的大氣中。 .7。 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)剛 2.2天空顏色生成算法 2.2,1需解決問題 大氣散射導(dǎo)致了天空背景顏色和亮度的變化。模擬天空背景也是計算機圖形學 研究的熱點之一。在這方面有很多相關(guān)的研究,提出的方法一般都是基于解析散射 方程,從而,確定某觀察點的光譜分布。即使對散射方程進行簡化,解析散

30、射方程 仍然很復(fù)雜。正如本章前面提到的,物理精確性并不是本章研究的重點,本章的目 的是實現(xiàn)符合視覺效果的天空背景生成和實時繪制算法。 根據(jù)2.1小節(jié)討論,天空背景的變化是有規(guī)律可循的,本文進一步總結(jié)如下: 一天空的基本顏色和基本亮度與時間有關(guān)。根據(jù)時間預(yù)先確定幾個采樣值。例 如:黎明和黃昏的時候,呈現(xiàn)暖色。 一時間一定的情況下,天空顏色的變化主要和被觀察位置的高度有關(guān)??梢? 采用在天頂顏色和地平線顏色之間按照一定的變化規(guī)律作插值,得到某個 高度的天空顏色。 一時問一定的情況下,天空亮度的變化主要和太陽視線角度有關(guān)。可以采用 在角度為0和90之問按照一定的變化規(guī)律作插值,得到

31、某個角度位置的天 空背景的亮度。 由這些規(guī)律可知,關(guān)鍵是要找到符合這些變化規(guī)律的特征函數(shù)。目前,一些比 較流行的三維動畫和游戲的做法都是采用簡單的線性內(nèi)插法[15],即認為特征函數(shù) 是線性函數(shù)。但是這并不符合人們視覺上的效果。針對這個問題,本文提出了兩個 特征函數(shù):顏色隨高度變化的特征函數(shù)和亮度隨角度變化的特征函數(shù)。 2.2.2方法描述 (1)根據(jù)時間確定天空的基本顏色和亮度 應(yīng)用特征函數(shù)插值前要確定天空基本顏色和基本亮度。那么,需要用到幾個預(yù) 先指定的常量,這幾個常量存放在常量寄存器中。如表2.1。這些常量值都是根據(jù)經(jīng) 驗從視覺效果出發(fā)而設(shè)定的。 具體的做法是,根據(jù)時間

32、判斷當前時刻所處時間段,即判斷是黑夜、白天、黃 昏還是黎明。如果是黑夜和白天,那么,把常量寄存器中的相應(yīng)值賦值給相應(yīng)的基 本顏色和基本亮度變量。算法如表2.2。如果是黎明或者黃昏,則根據(jù)常量寄存器中 的內(nèi)容作線性插值,把插值結(jié)果賦值給相應(yīng)的基本顏色和亮度變量?;绢伾突? 本亮度變量在將分別用于天空某具體位置的顏色亮度計算。 .8. 大連理j:大學碩士學位論文 表2.1確定天空基本顏色和亮度預(yù)先指定的常量表 fSunRiseTime日出的時間 fSunSetTime日落的時間 fDawnTimeDelta黎明時間段 fDustTimeDelta黃昏時間段 fNigh

33、tLum夜晚的基本亮度系數(shù) fDayLum白天的基本亮度系數(shù) vSumMmxLum太陽最大濃度(RGBl vSumMinLum太嘲1最小濃度(RGB) VDayHorizonCol白天地平線的顏色(RGB) vDayZenithCol白天天頂?shù)念伾ǎ遥牵拢? vDawnHorizonCol黎明地平線的顏色(RGB) vDawnZenithCol黎明天頂?shù)念伾ǎ遥牵拢? vDustHorizonCol黃昏地平線的顏色(RGB) vDustZenithCol黃昏天頂?shù)念伾ǎ遥牵拢? vNightHorizonCol夜晚地平線的顏色(RGB) vNightZenithCol夜晚

34、天頂?shù)念伾ǎ遥希拢? (2)顏色隨高度變化規(guī)律 由(1)得到天頂位置和地平線位置的基本顏色。天頂?shù)降仄骄€的顏色是逐漸變化 的,這種變化不是簡單的線性變化,接近地平線變化較快,靠近天頂變化較慢。通過觀 察和試驗,找到一個符合這種變化規(guī)律的特征函數(shù),形如公式2.1。公式2.1采用對天 空上某個位置法向量Y通道丌根方的方法。 d.,————:———————————一 ,一∥u8r£es巴扎。|r卵lni.璺,,,1、 根指數(shù)越高,天項變化越慢,地平線變化越快。這里選擇5。如圖2.3。其中, 橫軸代表某位置矢量的Y分量長度,天頂時值為1,地平線處值為O。 對天空背景上的某個位置計算

35、出具體的特征函數(shù)值,把函數(shù)值作為該位置的權(quán)值, 在天頂和地平線顏色間作內(nèi)插,得到該位置對應(yīng)的具體顏色。如表2.3。 (3)亮度隨角度變化規(guī)律 由觀察得到的變化規(guī)律可知,與太陽成90度角的天空位置最暗,這是瑞利散射 的結(jié)果。這種變化不是簡單的線性變化,通過觀察和試驗,提出符合這一規(guī)律的特 ..9.. 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 表2.2確定天空基本顏色和基本亮度偽代碼 fCurrentTimeGettheCulTenttime iffCUITentTime<_ISunRiseTime—mawnTimeDelta,2 OrfCurrentTime>;ISunSetT

36、ime+fDustTimeDelta/2 then //thecurrenttimejSnight vHorizonCol(--vNightHorizonCol vZenithColvNightZenithCol fLuminanee(--悄ightLum iffCurrentTime>fsUrlRiseTime—fDawnTimeDelta/2 andfCurrentTime<ISunRiseTime+fDawnTimeDelta/2 then //thecurrenttimeiSdawn vHorizonCol(--vDawnHorizonCol vZenithCol

37、VDawnZenithCol fLuminace(--fNightLum+(fDayLum—fNightLum)+(fCurrentTime— iSUrlRiseTime一仍awnTimeDelta/2、/DawnTimeDelta else iffCttrrentTinle>fSunSetTime—fDustTimeDera/2 andfCurrentTime<ISunSetTime+fDustTimeDelm/2 then //thecurrenttimeisdust vHorizonCol(--vDUStHorizonC01 vZenithCol}vDustZenith

38、C01 fLuminace(--fNightLum+(tDayLum—fNightLuⅡn+(isunSetTime+ fDustTimeDelta/2-fCurrentTimel/國UStTimeDera else ,,thecurrenttimeiSday vHorizonCol(--vDayHorizonCol vZenithC01(--vDayHorizonCol tLuminaee<--fDayLum endif endif endjf .10. 一盔壟堡二!叁堂堡主堂堡壘塞一.—— 圖2.3天空顏色隨節(jié)點矢量Y分量變化的特征函數(shù) Fig.2.3The

39、functionwiththecharacteristicsthattheskycolorchangeswiththe verticalYcomponentofthenormalsoftheskydome 表2.3插值計算某位置顏色偽代碼 vPosition(-thevertexpositionthatneedtocalculate vNormal亡vPosition.normal fWeight<-powf(vNormal.Y,1/5) vColor(-vZenithCol4fWeight+vHorizonCoi8(1一fWeight) 圖2.4天空亮度隨角度的變化特征函數(shù)

40、Fig.2.4Thefunctionwiththecharacteristicsthattheskyluminancechangeswiththe anglebetweenthesunandtheviewpath 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)月{| 表2.4插值計算某位置亮度偽代碼 vPosition(--thevertexpositionthatneedtocalculate vVertexNormal(--vPosition.normal vPostionthesunposition vSunDir(--vPositon.1lOrlTlal mletatheangl

41、ebetweenvVertexNormalandvSunDir ifmleta>=PI/2 then frheta=PI/2 endif fWeight<--cos(ffheta) vLumvSunMaxLum4(1一fWeigh0+vStmMinLum4fWei曲t 征函數(shù),形如公式2.2。公式2.2采用對太陽視線夾角e的余弦值求指數(shù)的方法。 ,=COS2日r77、 這里選擇指數(shù)為2。如圖2.4。由于太陽距離地球很遠,本文假設(shè)觀察位罨始終 位于天空圓頂屋的球心位置。對天空背景上的某具體位置計算出特征函數(shù)值,把函 數(shù)值作為該位置的權(quán)值,在太陽最大亮度和太陽最小亮度間作內(nèi)插

42、,得到該位置對 應(yīng)的亮度。具體算法描述如表2.4。 最終某位置的繪制顏色由上述(1)(2)(3)計算的結(jié)果綜合得到。 vColor<--vColordotvLum+fLtim 2.3實時繪制天空背景 2.3.1生成天空形態(tài) 天空形態(tài)模擬成一個半球形的圓頂屋。這個圓頂屋和地球的地理坐標系統(tǒng)類 似,使用一系列的經(jīng)線和緯線【9,15】。這樣模擬的結(jié)果是,在天頂?shù)牡胤綀A頂屋三角 形分解效果很好,而接近于地平線的地方,三角形分解得很粗。如圖2.5(a)。 本文的繪制方法是基于節(jié)點級的,也就是說,利用OpenGL的光柵處理可編程 接口實現(xiàn)各節(jié)點間顏色和亮度的平滑過渡。因此,天空背景的繪

43、制效果和三角形分 解方法有很大關(guān)系,分解的三角形要盡量均勻。改進后的分解效果如圖2.5fb)所 示。 .12. 大連理一[大學碩士學位論文 (a)基于經(jīng)緯線的方法(b)改進后的方法 圖2.5天空圓頂屋分解結(jié)果 Fig.2.5Thetessellatedresultoftheskydome 分解方法的基本思想是,保持緯度間的距離不變,盡量把每個緯度帶分割成大 小一致的三角形。由于緯度間的距離不變,相鄰兩條緯線的周長變化量相等。由 此,沒相鄰緯線上的節(jié)點變化量相等,比如,第一條緯線圈有8個節(jié)點,第二條緯 線圈就有16個節(jié)點,第三條緯線圈就有24個節(jié)點,以此類推。具體分割方

44、法如表 2.5所示。 表2.5生成天空圓頂屋改進算法的偽代碼 Bandlnfo[0].nVertexCount<--l Bandlnfo[0】.pVertiees<--newPoint【1] Bandhffo[0].pVertices[0].X<--Bandlnfo[0].pVertices[0】.Y=O.Of forallbandinfoBmadlnfo[i]do intnVertexCounti+VERTEX_DELTA BandInfo[i].nVertexCount<--nVertexCount Bmadlnfo[i]pVe觸s<--newPoint[nVertexC

45、ount] floatfRadiusfRadiusDelm+i foraⅡ血ecurrentbandinfoverticesBandlnfo[i].pVertices[j】do floatfAngle=2+PI+((tloat)j/(float)nVertexCount) Bandlnfo【i].pVe幣ces[j].xfRadius+COS(fAngle) Bandlnfo[i].pVertices[j]Y(--fRadius+sjn(fAngle) endfor endfor .13. 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 ————————_——————————_--

46、-__——_—r—_●—-_—_——————————————_-_●_-●'___-—————_一 2.3.2繪制天空背景 計算天空顏色就是計算生成天空形態(tài)的半球形圓頂屋上的所有節(jié)點的顏色,把 OpenGL的節(jié)點可編程接口參數(shù)設(shè)定為連續(xù)三角形平滑繪制,實現(xiàn)整個天空背景的 繪制。具體繪制三角形的過程要通過很多復(fù)雜繁瑣的判斷條件,方法見附錄A。 .14.. 大連理工人學碩士學靜論文 3云的模擬研究 云是一種重要的天氣現(xiàn)象,不僅美觀性和易變性令人驚嘆,更是人們預(yù)測天氣變化 的重要依據(jù)。但是,由于云本身形成變化過程的復(fù)雜性和光的作用使得云的模擬和實時 繪制很困難。月前,對云的模

47、擬還停留在簡單的貼圖方法上[16.18]。但是,貼圖的方法 模擬出的云很不真實,尤其是在三維場景交互式的應(yīng)用中,用戶一般要求飛躍穿過真實 的體狀云。模擬體狀云,除了要求云本身的變化外,還要求云在風和其他力(如浮力) 的作用下做相應(yīng)的運動,此外,為了增強云的真實感還需要考慮太陽光的照明以及云的 內(nèi)散射作用。 本文云模擬研究的重點是模擬應(yīng)用于三維交互式系統(tǒng)的快速高效繪制的靜態(tài)云,不 考慮云本身的動態(tài)變化過程。也就是說,可以預(yù)先對靜態(tài)粒子云建模,假設(shè)云粒子的彼 此}11對位置不變。這樣,研究的重點內(nèi)容就是:完成云的光散射作用模型以模擬真實 感;加快云的實時繪制速度以滿足二維交互式系統(tǒng)

48、的需求。 3.1兩個層次的云建模 云建模要解塊的問題是,如何用計算機表示云,如何生成和組織表示云的數(shù) 據(jù)。如果對組成云的每個微小水滴都做明確的描述,遠遠超出了計算機硬件日前的 計算相存儲能力,凼此大多數(shù)的研究方法采用粗略的模型【19】。 圖3.1兩個層次的粒子云建模過程 Fig。3.1Thecloudmodelingwithtwolevels .15. 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)J【1={ 本文采用的是兩個層次的粒子云建模方法。假定粒子云的每個粒子粗略地代表 了一個類似球形的空間對象,每個粒子的濃度由一個高斯算法生成的小紋理圖片表 示,濃度由中心遞減。每個粒子的

49、屬性包括中心位置、半徑、濃度和顏色。每朵云 由大小和濃度不同的一系列粒子集合組成。 組成云的粒子可以通過兩個層次建模[20】:高層建模使用立方體控制云的基本 形態(tài);底層建模結(jié)合隨機數(shù)把每個立方體細化成粒子,通過生成隨機數(shù)和相應(yīng)的參 數(shù)控制每個粒子的大小和濃度。最后,把生成的云的基本粒子數(shù)據(jù)寫入文件,完成 云建模過程。具體的步驟如圖3.1所示。 3.2Harris的散射模型 人眼觀察到的云是光和組成云的物質(zhì)相互作用的結(jié)果。云是由許多微小的、具有一 定濃度的水滴組成。要想模擬出真實感的云,就是要模擬出光和組成云的水滴相互作用 的視覺效果。光和這些水滴的最主要相互作用就是光散射。

50、 下面介紹幾個重要的有關(guān)光散射的基本概念,主要來自文獻【2l,22】。 圖3.2光在大氣中的散射 Fig.3.2Thelightscatteringintheatmosphere 圖3.2展示了一個簡單散射活動,即來自太陽的光在點P散射到觀察方向。經(jīng) 過了一次或多次散射的光也可能到達點P發(fā)生散射。觀察方向和太陽光之間的夾角 寄叫做散射角。散射角是散射相位函數(shù)中獨立的變量。到達觀察點心的光是沿著整 個觀察路徑S的所有散射作用結(jié)合的結(jié)果。 .16。 大連理工大學碩士學能論文 光作用于單個粒子時,一般只發(fā)生一次散射,這叫做單散射。對于很小或者很 透明的介質(zhì),采用單散射模型。比

51、如純凈的空氣和微小濃度的水蒸氣就屬于這種介 質(zhì)。光相繼作用于多個粒子時,發(fā)生了多次散射,這叫做多重散射。對于像這樣的 介質(zhì)只用單散射模型是不能模擬出真實感強的視覺效果。云的模擬就要考慮多重散 射。這樣的介質(zhì)散射率接近1,濃度高,通過這樣介質(zhì)的光經(jīng)過多次散射后,幾乎 都傳播出去。 散射模型模擬了光與介質(zhì)的相互作用。單散射模型模擬了按單一方向介質(zhì)對光 的散射情況。在計算機圖形學中,這個方向通常是指向視點的方向,這是因為散射 到視點的光讓我們看到云的樣子。多重散射模型從物理光學的角度來說更加精確, 但是,多重散射模型要求計算所有方向的散射情況,計算多重散射很復(fù)雜,需要對 整個球面角

52、積分,代價很高。 事實上,多重散射的大多數(shù)路徑是可以忽略的,對視覺效果影響不大,主要受 影響的是沿光線傳播的向前散射周圍的方向和指向視點的方向。本文散射模型進一 步簡化為一個包圍沿光線傳播方向小球面角的多重散射和一個視線方向的單散射 [23]。研究表明,組成云的水滴主要發(fā)生這種前向散射。因此,盡管忽略了大多數(shù) 的出射光方向,這種散射模型仍然能夠模擬出散射作用的重要視覺效果。Harris在 他的博士論文[24]中給出了~個由云水滴發(fā)生的強前向散射的分析。這個分析結(jié)果 為使用的多重前向散射簡化模型提供了更有力的支持,他的研究結(jié)果表明僅0.001 球面度列‘應(yīng)的散射量就占總散射量的~

53、半以上。 本文的散射模擬分兩個過程[251: l繪制場景前,對云粒子應(yīng)用簡化的多散射模型,得到云粒子經(jīng)過光散射作 用后的基本顏色; I繪制場景中,對云粒子應(yīng)用觀察方向的單散射模型,得到人眼看到的云粒 子的繪制顏色。 (1)多散射模型 首先,計算方向?的光在任意位置P的入射光。該入射光幽兩部分組成:~部分 是沒有與其他粒予發(fā)生作用而直接傳輸?shù)剑械墓?;另一部分是從其他粒子散射到? 的光。散射模型可以寫成公式3.1。 擘.鼉 一}r(0dt世一lKt)at 您咖厶∽-e;十|如嘞8;舔 0 (3.1) .17. 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)川 其中,聯(lián)神表示

54、從云的外面來自甜方向的入射光,麗f)表示云在深度t的消光系 數(shù),Dj,表示沿著光傳播方向P的深度,tg表示其他方向的光在P散射到m方向的 光,由公式3.2計算得到。 g(x,m)={r(x,∞,∞’)j(x,國’)deo‘ 4口 (3.2) 其中,g(x,腳)表示來自所有方向a/'在點x處散射到掰的光。其中,r甌啦∥>表 示在點x處來自∥的光,有百分之多少散射到了國方向。,☆,設(shè)吐,>可迸一步擴展為 r(x,:aa/)=球)‘《磅.p(璐豌,),口(磚表示菇處的反射率,蘆(燃群0表示相位函數(shù)。 模擬完全散射必須沿所有入射方向?qū)Γ纾ǎ?;m)積分。Harris的散射模型計算光線

55、 傳播方向周圍的很少的多重散射,因此,形=t和a/k—Z。為了實現(xiàn)多重前向散射模 型,列’公式3.2很小的前向方向球面角',積分。因為球面角r很小,假定y列應(yīng)范圍內(nèi) 的,和j是常量,所以公式3.2可以簡化為熊』)=聯(lián)耳,Z,一0?甄x,-0一Y/4死。 Harris計算多重散射的方法是以線性積分的方法為基礎(chǔ)的【26]。這種方法沿著光 向前傳播的方向從0到上b分成離散段母,j從1到N,N是沿著光的傳播方向從0到 上)p的云粒子的數(shù)目。那么,得到散射模型的離散形式,如公式3.3。 NNN 1P=1。一ng?!器?。n 8“女 』。l』2{l。,+1f3.3) 其中,如表示在云

56、的邊界上的入射光,g魄0變成毋=m?露烈厶一l})也?燁瓦形式。 為了計算機硬件實現(xiàn)散射模型的計算,將公式3.3轉(zhuǎn)換成遞歸形式,如公式3.4。 ,lgk—l+2■i?‘一l, 2≤k≤N 5 l厶, k2l ㈣ 其中,玨2學“??梢赃@樣直觀地理解公式3.4。從云的外面開始沿著光的方 I句,每個云粒子融的入射光等于從靠l散射到融的光,再加上通過pbi的光(由躁】確 定)。如果3.4的囂展開,那么兩個項里都包含磊l,因此,需要利用圖形硬件可編 程接口來實現(xiàn)公式3.4的遞歸計算。 (2)單散射模型 除了多鶯前向散射外,還要完成散射到視點方向的單散射。Harris的單散射遞

57、 歸方程形如公式3.5。 E女=stI}+疋。E女一l,l≤k≤Nn補 一18。 火連理j:::大學碩士學位論文 公式3.5與公式3.4有所不尉。這個方程表示,任意云粒子西的出射光礞等于入 射到肼但沒有吸收的光廷‘E}-lJJIl上它散射的光赫。多重前向散射模型計算的是入射 到每個云粒予的光豇,而單散射模型中感興趣的是朝向觀察點的散射情況。鐓由 船舔烈娥書也/4研i-算得到,其中甜表示觀察方向。 這里重要指出,單散射模型3.5使用了多重散射模型3.4的計算結(jié)果(矗)。由 于在兩個遞歸運算中都使用了相位方程,可能誤認為在某一位置同一光線作了兩次 散射計算。但并不是這樣,因

58、為多向散射模型計算的是某一位置的入射光,單 散射模型計算的是某一位置的出射光。多重散射3.4中,靠l乘相位方程得到沿光線 方向,■j散射到最的光,單散射3,5中,矗乘相位方程得到晟散射到視線方向的光。 即使視點剛好與光源相對,由于熊的入射光在繪制前存儲起來,并用于繪制時的單 散刺計算,所以,對于同一個云粒子,散射并沒有計算兩次。 (3)相位函數(shù) 相位函數(shù)pt輯∥j在公式3.4和公式3.5的計算中起著非常重要的作用。相位函 數(shù)確定了對于某給定入射光的散射分布情況。相位函數(shù)在【1I-14】中都有詳細的討 論,本文采用的是瑞利散射相位函數(shù)p(∞23/40+cos。O),其中0表示入射

59、光和散 射方向的夾角。一般來講,瑞利散射只適用于散射粒子較小的情況。本文選擇瑞利 散射相位函數(shù)是因為它的計算比較簡單,而且試驗表明采用這個函數(shù)對視覺效果沒 有太大的影響。 3.3圖形硬件可編程接口實現(xiàn)散射模型 考慮到數(shù)學模型公式是遞歸的,可以結(jié)合圖形硬件可編程接1:3(如OpenGL或 Direct3D)加速散射模型的計算【27】。關(guān)鍵的技巧是完成圖形硬件的混色操作和緩沖區(qū) 像素點顏色的回讀。 混色操作就是計算緩沖區(qū)內(nèi)容和輸入內(nèi)容的帶權(quán)平均值,最后,把結(jié)果寫入緩沖區(qū) 中。OpenGL中的混色函數(shù)形如公式3.6。 eresult=,腓’C黜+,船t‘c贏刪nm 如果,設(shè)c贏

60、n2矗,后t2l,島m2髀l,歹‰2弦i,那么,混色操作前幀 緩沖區(qū)指定為而,公式3.4就和公式3.6相當。但是,蠢I在公式3.4中同時是兩個項的 因子,要計算鳳的遞歸公式,首先必須確定既l的入剁光,這樣,就要用到緩沖區(qū)像素 點顏色的回讀。 完成公式3,4和公式3.5遞歸計算的具體方法如表3.1的方法。 .19. 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 表3.1云粒子照明和繪制過程 Theaseudocodeforcomputationoftheilluminationandrenderingofclou—d—s source_blend_factor。l: dest_bl

61、end_factor21一src_alpha; texturemode=modulate; f2directionfromlight; if(preprocess)then 塒=.1: viewcloudfromlightsource; clear缸dlTlebuffertowhite; particles.sort(<,distancetolight); else viewcloudfromeyeposition; particles.sort(>,distancefromeye); endif y2solidangleofpixelstoread. foreach

62、particlem Plhasextinction鋌,albedo鯫,radius“,color,andalpha] if(preprocess)then computepixelsnpneededtocoversolidangley: read珞pixelsinsquarearoundprojectedcenterofpl: 醞2averageintensityof唧pixels; I女4=light._color; p1.color=鯫十矗}it+y/4兀: 尹^.alpha2l—exp(-r1); else 甜2m.position—viewAoosition; e

63、ndif c2般color+phase(o/,幻; render鳳withcolorc,side2+強: endfor ———————————————————————————————————一一 場景繪制前的預(yù)處理過程,幀緩沖區(qū)設(shè)為白色,表明在云的邊界處光線沒有衰減。 云粒子沿著光的傳播方向排序。每繪制一個粒子到幀緩沖區(qū)中,粒子的透明度改變了該 .20. 大連理工人學碩士學位論文 粒子覆蓋的幀緩沖區(qū)對應(yīng)的像素點的顏色,完成了一定量的前向散射。在繪制該粒子 前,來自球面角y的風的入射光通過讀取以腓在屏幕上投影點為中心的小范圍的像素點 的顏色得到。像素點的平均值乘rfx.

64、1,∞,五乘以光的濃度(RGB值),結(jié)果用于計 算公式3.4和公式3.5。 場景繪制過程中,云粒子沿實時變化的觀察方向排序,不回讀緩沖區(qū)像素點。預(yù)處 理計算得到的磊在繪制過程中用于計算觀察方向的散射光。 在上面兩個過程中,云粒子都是按照順序繪制成一個小的高斯紋理。紋理的繪制顏 色設(shè)為璐’rk-p(O),O'Ikf4耳。預(yù)處理過程中表示光的傳播方向,繪制過程中01表示觀察方 向。本文在實現(xiàn)的氣象演示系統(tǒng)具體編碼過程中,鏹和靠作為常數(shù),分別?。福昂停埃?。 3.4加速云的實時繪制速度 通過散射模型的簡化和OpenGL的結(jié)合,得到了真實感很好的云模擬結(jié)果。但 是,一般的應(yīng)用要求有很

65、多復(fù)雜或者高分辨率的云組成,同時,交互式的應(yīng)用要求 很高的交互模擬速度。如果,每一幀都對所有的粒子進行繪制,在現(xiàn)有的硬件條件 下幾乎是不可能的。而且,云的模擬只是三維GIS應(yīng)用的一個組成部分,因此,必 須在實時繪制過程中提高速度。本文結(jié)合兩種方法加速大規(guī)模粒子云的實時繪制速 度:動態(tài)地生成替代品和三維空間八分樹索引的視景體剪裁。 3.4.1動態(tài)地生成替代品 圖3.3動態(tài)生成替代圖像的側(cè)面圖 Fig?3?3Anoutsideviewofdynamicallygeneratedimpostorimages 。21. 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)剛 這早的替代品是指一個半

66、透明的多邊形紋理,用這個紋理替代三維場景中的某 個要繪制的對象,本文替代的對象是靜態(tài)的粒子云。這個替代紋理在視覺誤差允許 范圍內(nèi)對多個視點有效。對應(yīng)于某個視點的替代紋理能有效地近似模擬需要繪制的 對象。替代紋理可以預(yù)先生成,也可以在需要繪制的時候動態(tài)地生成[25,28】。本文 采用文獻[25】的方法——動態(tài)生成紋理。如圖3.3。為了直觀,圖中白色線表示視景 體,黃色線表示生成的紋理的邊框。 首先,確定視景體位置,視點設(shè)在生成替代紋理對應(yīng)的視點位置,視點嚴格對 應(yīng)對象的范圍。接下來,設(shè)慝臨時緩沖區(qū),在當前視圖.投影矩陣下繪制靜態(tài)的粒子 云。最后,用OpenGL的接E1,由屏幕緩沖區(qū)生成紋理,生成云的替代紋理圖像, 釋放I臨時緩沖區(qū),恢復(fù)原三維場景的緩沖區(qū)。 本文通過找到三維場景中幀與幀之間的一致性,在視覺誤差允許的范圍內(nèi),在 多個幀中使用同一個紋理圖像替代云,從而提高云繪制的速度。幀與幀之間的一致 性導(dǎo)致了多個幀的紋理圖像的重用。本文使用誤差估計作為是否需要更新紋理圖像 的條件?!荆玻福葜薪o出了兩個與幀一致性相關(guān)的重要的誤差衡量標準。第一個叫做

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