[发明专利]一种基于层次的覆盖全空域的云表示与实时绘制方法

说明书

本发明公开了一种基于层次的覆盖全空域的云表示与实时绘制方法，其特征在于，根据云层的不同距离分别设置一对应的层次细节表示和绘制方法；其中，采用LoD0～LoD3算法分别用于绘制第一级～第四级距离范围内的云层；其中：LoD0算法为传统绘制方法；LoD1算法为：给定粒子半径R和数量m，计算LoD0粒子集合的坐标轴对齐包围盒；在包围盒中随机生成多个新的半径为R的粒子，如果新粒子与LoD0粒子集合中粒子的重合体积小于设定值h，或该新粒子与其他新粒子重合体积大于设定值H，则丢弃该新粒子；调整设定值h、H，最终留下m个新粒子；LoD2算法为改进的粒子云实时渲染算法；LoD3算法为带有噪声的雾化绘制方法。

技术领域

本发明属于计算机图形图像技术、虚拟现实技术、软件技术领域，涉及一种基于层次的覆盖全空域的云表示与实时绘制方法。

背景技术

云是一种特定高度范围内由大气中的微小液滴聚集引起的天气现象，它的光学性质与周围大气的差异使其呈现出独特的光照特点。有关云的渲染工作已经形成从理论到方法都较为完整的体系，但在自由视点、超大场景的飞行模拟视景系统等应用中，大规模云的实时渲染依然面临挑战，传统方法的主要问题体现在大量的计算资源消耗破坏飞行视景的高帧率，其覆盖空间范围受限容易造成视域边界的瑕疵，云与其他如雨、雪等气象条件的相互作用缺少融合，难以获得运行流畅、自然的、逼真的天空气象一体化模拟效果。大规模云现象模拟既要求云有足够好的渲染结果，又要求它具有足够广的覆盖范围。这对粒子云基本方法的运行效率是较大的挑战。在飞行视景实时仿真系统中，根据现存各类飞行器的巡航高度，用户的视点可能分布在约0至40千米的海拔高度范围之内。将地球视作半径为6378千米(赤道半径)的标准球体，则计算得可视范围最远达到715.4千米。若以粒子云模型中每256平方千米平均约1000个云粒子、透视投影视角水平方向约90°估算，单帧需要绘制的云粒子数量将达到1.57×10⁶个。与此同时，实时绘制系统的刷新率要求达到60赫兹，即每帧时间约16.67 毫秒，考虑到其余计算模块的时间需求，最终能供云模块使用的计算时间约为2-6毫秒。在如此短的时间内处理并渲染如此多的云粒子是非常难以达成的目标。

粒子云的模型是一个粒子信息的数组，原粒子云算法的数据组织具有层级关系，如图1，云层包含云块，云块包含云粒子。云块是实例化的云模型，拥有对应模型所有粒子的副本。

计算并渲染粒子云的步骤如图2所示，分为准备阶段与绘制阶段。本发明使用的系统每帧依次调用各模块的准备阶段函数以及绘制阶段函数。以下说明各步骤：

1.收集云粒子：准备阶段，CPU主线程从视点所在位置的临近云块中收集以视点为圆心、一定裁剪半径之内的云粒子，更新它们到视点的距离，并放入待排序粒子数组；

2.排序云粒子：CPU主线程使用标准库的快速排序方法将粒子数组根据到视点距离排序；

3.发送数据：CPU主线程调用图形库函数接口将云和光照有关的参数、贴图及排好序的粒子数组发送至图形驱动，由驱动传输数据至硬件；

4.发送绘制指令、执行绘制指令：绘制阶段，CPU主线程调用图形库函数接口发出绘制指令至图形指令队列，硬件执行到此指令时调取数据并绘制；

5.粒子转换为公告板：在图形硬件的几何着色器中，根据各粒子位置、朝向与公告板长宽生成四边形，进行部分光照计算后将图元发送至下一流水线阶段；

6.片元着色：在片元着色器中，执行纹理映射与部分光照计算后将片元发送至下一流水线阶段。

这些步骤每帧依次发生，最终使得内存中存储的云粒子被整理、传输到图形硬件，并被有序地绘制到屏幕上。