[发明专利]一种大规模真实感雪景实时渲染方法

说明书

技术领域

    本发明与计算机图形学有关，随着流计算平台GPU技术的快速进步，为图形学的发展提供了重要的硬件平台，本发明涉及一种基于流计算平台GPU的大规模真实感雪景的实时渲染方法。 

背景技术

    在计算机图形学领域，自然景物的真实感实时渲染是一个重要的研究方向，包括天空、水波、云、树、草等自然景物是这类研究的重要对象。自然景物随着四季与地理位置的不同而各具特色，在较高纬度或高海拔地区，雪景是最常见的自然景象。模拟雪景的变化是非常具有挑战性的研究课题，其主要原因是雪的累积与融化受风、温度、雪的厚度以及其它环境因素如阳光直射或处于阴影中等诸多外界条件的影响较大. 雪景的模拟可以分为降雪、累积和融化三个方面。降雪过程的模拟一般采用基于粒子系统的方法，此外，采用诸如IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)和基于纹理技术等其它方法在模拟大规模降雨、降雪方面也有一定的优势. 在先方法 [1] （参见Langer M S, Zhang L, Klein A W, Bhatia A, Pereira J, Rekhi D. A spectral-particle hybrid method for rendering falling snow. Rendering Techniques 2004 Eurographics Symposium on Rendering. 2004: 217–226.）采用一种谱和粒子混合的研究方法来模拟降雪，随着GPU技术的发展，大规模粒子系统可以通过GPU实现.同降雪过程的模拟相比，雪的累积和融化过程的模拟更加复杂。依据场景中物体的几何特性，基于过程或物理的方法建立了降雪和积雪模型，并综合考虑了风的影响。现有的降雪累积方法可以大致分为三大类：基于粒子系统的方法、基于表面位移技术的方法和基于表面细分技术的方法。基于粒子系统的方法主要是计算雪花被风吹起后的运动及其在地面的堆积，较早的这类模型通过设置粒子的分布采用变形球实现；一些对此方法的改进主要是对雪花在风作用下的运动方式的改进，这类改进通过求解风的动力学特性进而得到了复杂的雪景效果，其方法则是通过求解Navier-Stokes方程或Boltzmann方程。不同于粒子系统方法，基于表面位移的方法主要是通过计算局部区域的可达性和遮掩性(Occlusion)求解积雪的厚度。表面细分技术则是通过将积雪的表面进行细分，从而使得积雪的表面更加平滑. 在先方法 [2]（Festenberg N, Gumhold S. A geometric algorithm for snow distribution in virtual scenes. Proceedings of Eurographics Workshop on Natural Phenomena 2009: 15–25.）采用一种高度跨越映射(Height span maps)的方法，用于实现颗粒材质如沙等的模拟，已被证明是一种高效的积雪模型. 不同于在先方法[1,2]，本发明重点是实现一种实时渲染大规模雪景的方法，并不考虑其物理的真实性，而以视觉效果的真实感和渲染效率为主要研究目标。 

发明内容

现代流计算技术为基于GPU的大规模真实感体积云实时渲染提供了良好的平台和巨大的灵活性。本发明建立一种在流处理器上实现大规模真实感雪景实时渲染的方法，解决视觉效果的真实感和渲染效率之间相互制约的问题. 本发明的大规模真实感雪景实时渲染的方法首先建立雪花模型及其在降雪过程中的运动模型；其次将风的运动速度分为平均风速与随机风速，简化了风场的计算，通过Perlin噪声生成了随机风，并将计算结果存储在3D纹理中，从而减轻粒子系统的计算负荷；第三，建立积雪与融化模型，实现雪的积累和融化的模拟；最后建立基于GPU的粒子系统，提高粒子系统的渲染效率. 

本发明的基本原理如下：

一、雪花的运动模型. 雪花在从开始形成直至其降落到地面形成降雪的整个过程中，一直受到四种力的作用：浮力、重力、升力以及阻力，浮力与重力方向相反，两者皆为常量，升力与阻力则随着风向的变化而变化，浮力与雪花所排开的相同体积大气的重量相等，重力则是雪花所受到的地球引力的大小，由于雪花所受到的浮力与其重力相比非常小，对于雪花的运动影响不大，可以忽略不计，雪花受到的力可由公式(1)计算

          (1)