CN101706967A - 一种真实感云层的综合模拟方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于仿真技术中对云层的综合模拟方法，包括设置天空背景及空域细胞网格、云的初始分布、建立虚拟云层平面模型、设定视点与云的距离阈值和各类云及物象的混合参数、综合处理。该发明综合利用多项技术对云层进行仿真，对远、近云景分别采用不同方法处理，有效地提高了所模拟云层的真实感及模拟的速度和即时性，尤其是对大型云层及复杂场景的模拟、其模拟速度的优势更为突出。因而具有可利用二维平面模拟实现三维全景云层的效果，且方法简捷、可靠，对云层模拟有很强的真实感，模拟效率高、即时性强，对软硬件的配置要求较低等特点；克服了常规采用二维平面模拟三维云层的技术所存在的片状感以及真实感差等缺陷。

Description

一种真实感云层的综合模拟方法

技术领域

本发明涉及计算机视景仿真技术领域，尤其是一种采用细胞自动机、纹理映射、公告板技术等进行综合处理以展示出真实感云层的快速模拟方法，本方法可广泛应用于对飞机等空中运动目标穿云视景的仿真演示。

背景技术

真实感云层的实时渲染是视景仿真中一项具有挑战性的工作。目前，云的模拟可分为基于个体生长的方法和基于物理过程的方法。基于个体生长的方法包括分形几何、过程纹理函数、细胞自动机和粒子系统等方法，主要是利用人的视觉形态特征获取云的视觉形状而不需要模拟云生成或消散的真实物理过程，其渲染速度较快，比较适合目前普通硬件平台的需求，它在一定程度上还很受关注；但基于个体生长的方法的仿真效果差，因而主要应用于对可视化细节要求不高的仿真场景。基于物理过程的方法主要是通过模拟气象上导致云形成的物理过程，以及光与云的交互作用来进行云的模拟仿真，该方法提出较晚，主要包括光照模型、基于流体动力学的数字模拟和定性模拟等，但由于过大的计算需求、一般只能产生可视化细节要求不高的气象学模型，目前还不能满足图形学仿真的需求。

在基于个体生长的方法中：

A.细胞自动机方法：细胞自动机方法将三维空间划分为一个个体元网格，在每一个网格用三个状态变量表示水蒸汽、云和从水蒸汽到云的变化状态，每一个状态变量的值为1或0；云的生长通过转换规则来表示云的形成、消散和风在水平方向上的影响，转换规则可以用布尔运算实现来减少运算量。该方法虽然在每一个网格用三个状态变量表示水蒸汽、云和从水蒸汽到云的变化状态，可以较为逼真地模拟三维云的发展过程，但整个组合过程复杂、难度较大，仅适用于对低维、简单视景的模拟；

B.公告板模拟方法：公告板是一组旋转而始终朝向视点的带模拟对象的映射纹理图的多边形虚拟平面；公告板技术简化了三维场景，提高了场景的渲染速度，满足了视景仿真的即时性要求，同时大大提高了系统的图形处理速度，但采用该方法模拟的物象缺乏立体感，失真度较大，尤其不适合对近景的模拟；

公告板旋转的具体方法如下：在三维笛卡尔坐标系统下，设初始云层平面的法向量为V₁，云层平面中心点在水平面上的投影到视点的向量为V₂，云层平面中心点到视点的向量为V₃，则云层平面在Y、Z轴上的旋转角度可以用下式得到：

$\mathrm{yRot}=\arccos \left(\frac{{|V}_1\·V_2|}{\left|V_1\right|\·{|V}_2|}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{zRot}=\arccos \left(\frac{{|V}_2\·V_3|}{\left|V_2\right|\·{|V}_3|}\right)---\left(2\right)$

此外，常规的纹理映射技术是计算机图形学中广泛应用的一项重要技术.该技术可把来自现实的各种位图文件映射到虚拟载体上，使其形态、外观看起来与现实中的物象(体)相似或相同，增强了物体的真实感，可模拟云层表面丰富的纹理细节；但如果要对复杂环境中的云层全部采用该技术进行三维几何建模，则对于远距离观察的云层，由于可见的云层较多、计算量大，对场景渲染的速度慢，仿真的即时性难以保证.

因而，上述技术均存在功能单一，对云层模拟的真实感及模拟效率差，只能应用于对可视化细节及对即时性要求不高的视景的仿真，或在对云层较多及复杂场景的模拟则存在计算量太大等缺陷。

发明内容

本发明的目的是研究设计一种真实感云层的综合模拟方法，通过采用二维平面模拟三维云层，以达到有效提高对云层模拟的真实感及模拟效率，在设定的空域内模拟具有仿真度高、真实感强的云层，克服常规技术采用二维平面模拟三维云层所存在的片状感等缺陷。

本发明的解决方案是首先采用常规方法设置天空背景，再利用自动细胞机原理和随机噪声扰动(函数)构建云层的初始分布，使云层位于设定范围内；然后根据仿真度的要求设置视点至云中心位置距离的阈值并确定各中心点到视点的距离，对于大于阈值的远景云层及云块，采用纹理映射和单层公告板技术来模拟，对于小于阈值的近景云层，采用多层公告板分别进行平面纹理映射；并采用OpenGL(开放图形应用程序接口)技术设置光源及雾的浓、淡，最后通过计算机图形学中的Alpha混合技术对设置的各类物象进行综合处理，从而实现其发明目的。因而本发明方法包括：

A.设置天空背景：用常规的半椭球面方法生成空域，并采用纹理映射的方法设置天空背景；

B.设置空域细胞网格：采用自动细胞机原理，将空域划分为n×n×n个细胞网格，在水平面上采用均匀分布，垂直方向上采用正态分布，并通过布尔型状态变量给每个网格赋1，0值以对应云的有、无；

C.云的初始分布：对于有云分布的网格，在垂直方向上根据海拨高度的高、中、低分三个云层，并分别按正态分布设置呈束状的卷云、呈片状的层云和呈块状的积云；水平面上的云块则采用均匀分布，并通过随机噪声扰动使云层及云块的位置产生偏移，完成云的初始分布；

D.建立虚拟云平面模型：用四边形建立虚拟云(并不实际绘制)平面模型，在四边形平面的两个维度上作随机的拉伸和压缩，体现其不规则性，然后转步骤E；

E.设定视点与云的距离阈值：根据仿真度的要求设定视点至云层及云块距离的阈值、以划分云的远近，并通过自动细胞机技术逐帧确定各云层及云块中心位置到视点的距离后，转步骤F；

F.设置各类云及物象的混合参数：对于距离大于阈值的云层及云块，采用单层公告板技术设置、并贴上真实或合成的云层纹理；对于距离小于阈值的云层及云块、采用多层公告板技术设置、每层公告板按视点拟进入的顺序分别映射处理好的过程纹理，实现云景的可视化；同时设置背景、雾效、纹理相互之间混合效果的强度参数；

G.综合处理：按要求设置混合效果的强度参数、启动效果混合功能，使云景很好地融入天空背景环境中。

上述设置空域细胞网格，其空域范围为水平面积20km×20km，垂直高度0-10km，细胞网格间距为1-4km，云层平均半径为0.5-2km。所述垂直方向上根据海拨高度的高、中、低分三个云层，并分别按正态分布设置呈束状的卷云、呈片状的层云和呈块状的积云，其云层高度分别为5-13km、2-5km及0-2km。所述在四边形平面的两个维度上作随机的拉伸和压缩，其方法是利用rand()和srand()函数、通过二次随机法在云层平面的两个维度上作随机的拉伸和压缩。所述实现云景的可视化，其可视化方法采用“VC+OpenGL”(集成开发环境+开放图形应用程序接口)技术实现。而所述对于距离小于阈值的云、采用多层公告板技术设置，其公告板的层数为5-7层。

本发明由于利用自动细胞机原理和随机噪声扰动(函数)构建云层的初始分布，并根据仿真度的要求对于大于阈值的远景云、采用纹理映射和单层公告板技术模拟，可真实、快速地模拟该空域范围内的云；对于小于阈值的近景云层、采用多层公告板分别进行平面纹理映射的方式来近似模拟三维云；同时通过OpenGL(图形应用程序接口)技术设置光源及雾的浓、淡，最后采用计算机图形学中的Alpha混合技术对各类物象进行综合处理，从而有效地提高了所模拟云层的仿真度和真实感，大幅度提高了对云层状态模拟的速度和即时性，尤其是对大型云层及复杂场景的模拟、其模拟速度的优势更为突出。因而本发明具有可利用二维平面模拟实现三维全景云层的效果，且方法简捷、可靠，对云层模拟有很强的真实感，模拟效率高、即时性强，对软硬件的配置要求较低等特点；克服了常规采用二维平面模拟三维云层的技术所存在的片状感以及真实感差等缺陷。

附图说明

图1为本发明方法流程图示意图(方框图)；

图2为本发明具体实施方式模拟的从地面观测天空的云景效果图，其中a图观察仰角为20°、b图观察仰角为80°；

图3为通过VisualC++6.0(基于Windows操作系统的可视化集成开发环境)模拟飞机穿过本发明实施方式所模拟云层的穿云效果图，其中a图为飞机正进入云层的效果图、b图为飞机已进入云层中的效果图。

具体实施方式

本实施方式以观察飞机、导弹等飞行器模拟穿云效果用云层的综合模拟方法为例，其方法如下：

第一步、设置天空背景：采用半椭球面来制作背景天空，即首先对半球进行垂直方向的压缩和水平方向的延伸，形成一个扁平的椭球体，再赋上淡蓝的天空背景和添加雾效；然后通过椭球面自身的逐渐过度，实现天空由淡蓝色转为青色、进而转为雾状白色的渐变，呈现出逐渐模糊景象的天空背景；

第二步、设置空域细胞网格：首先采用自动细胞机划分三维空域及划分细胞网格单元，本实施方式在水平方向的空域范围为20km×20km，细胞网格间距设置为2km，水平每层有100个网格点；垂直方向的空域高度范围为0-10km，将云层按空域的高低划分为3层：平均高度为2km的积云层、平均高度为4km的层云层和平均高度6km的卷云层，整个空域被划分为100×3个网格；各云层的平均半径设为1km；

其次，给每一层各网格点赋以初值：通过布尔型状态变量给每个网格赋1，0值以对应云的有、无；根据自然界中，积云分布比较稠密，层云和卷云分布比较稀疏，对三个云层分别设置不同参数，使得云层总体在水平方向上呈均匀分布，即若X，Y在水平区域D上服从均匀分布，则对D内任意的区域G：

本实施方式水平方向采用分布函数为：

$F(X,Y)=P\left\{(X,Y)\right\}\∈G\}=\frac{S_G}{S_D}---\left(3\right)$

其中，S_G和S_D分别表示区域G和区域D的面积，本实施方式中网格是否设云的阈值为0.5，即当F(X，Y)＜0.5时、该网格为无云，否则，该网格为有云；在垂直方向，云层总体呈均值为μ、方差为σ²的正态分布，即X-N(μ，σ²)；其正态分布的概率密度按下式定：

$f\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{{(x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})---\left(4\right)$

式中，μ为云层的平均高度(本实施方式三个云层的平均高度分别为2000m、4000m和6000m)，方差σ²为可调，f(x)表示云层出现在高度x的概率；因空域划分为3层、云层平均半径为1km，则x的取值范围在1000至7000之间；

第三步、完成云的初始分布；在有云分布的网格处通过随机函数，分别给X、Y、Z三个维度加上随机噪声扰动，以呈现云层及云块分布的不规则性；

第四步、建立虚拟云平面模型：初始化各云平面的大小，利用rand()和srand()函数、通过二次随机法在平面的两个维度上做不同的拉伸和压缩，体现云大小的不规则性；

第五步、设置距离阈值：本实施方式将阈值设为2km(即与网格间距相同)，距离凡是小于2km的云层或云块为近云，距离凡是≥2km的云层或云块为远云，并通过自动细胞机技术根据云的远近逐帧确定各云层及云块中心位置到视点的距离后，转下一步；

第六步、设置云层及各类物象的混合参数：采用常规“VC+OpenGL”(集成开发环境+开放的图形应用程序接口)技术实现云景的可视化，对于远景云，因其细节关注程度较低，采用贴上纹理的单层公告板显示；对于近景云，视点即将或已进入云层内部，因其云层细节关注程度较高，采用6层按视点拟进入的顺序贴上处理好的过程纹理的公告板显示；动态调整云层平面的法向量，使其始终朝向视点；同时，采用Alpha混合技术设置背景、雾效、纹理相互之间混合效果的强度参数；

第七步、综合处理：首先开启混合功能，同时将雾效设置为GL EXP模式，雾浓度为0.5，使云层平面很好地融入到环境中。

Claims (6)

1.一种真实感云层的综合模拟方法，其方法包括：

A.设置天空背景：用常规的半椭球面方法生成空域，并采用纹理映射的方法设置天空背景；

B.设置空域细胞网格：采用自动细胞机原理，将空域划分为n×n×n个细胞网格，在水平面上采用均匀分布，垂直方向上采用正态分布，并通过布尔型状态变量给每个网格赋1，0值以对应云的有、无；

C.云的初始分布：对于有云分布的网格，在垂直方向上根据海拨高度的高、中、低分三个云层，并分别按正态分布设置呈束状的卷云、呈片状的层云和呈块状的积云；水平面上的云块则采用均匀分布，并通过随机噪声扰动使云层及云块的位置产生偏移，完成云的初始分布；

D.建立虚拟云平面模型：用四边形建立虚拟云平面模型，在四边形平面的两个维度上作随机的拉伸和压缩，体现其不规则性，然后转步骤E；

E.设定视点与云的距离阈值：根据仿真度的要求设定视点至云层及云块距离的阈值、以划分云的远近，并通过自动细胞机技术逐帧确定各云层及云块中心位置到视点的距离后，转步骤F；

F.设置各类云及物象的混合参数：对于距离大于阈值的云层及云块，采用单层公告板技术设置、并贴上真实或合成的云层纹理；对于距离小于阈值的云层及云块、采用多层公告板技术设置、每层公告板按视点拟进入的顺序分别映射处理好的过程纹理，实现云景的可视化；同时设置背景、雾效、纹理相互之间混合效果的强度参数；

G.综合处理：按要求设置混合效果的强度参数、启动效果混合功能，使云景很好地融入天空背景环境中。

2.按权利要求1所述真实感云层的综合模拟方法，其特征在于所述空域细胞网格，其空域范围为水平面积20km×20km，垂直高度0-10km，细胞网格间距为1-4km，云层平均半径为0.5-2km。

3.按权利要求1所述真实感云层的综合模拟方法，其特征在于所述垂直方向上根据海拨高度的高、中、低分三个云层，其云层高度分别为5-13km、2-5km及0-2km。

4.按权利要求1所述真实感云层的综合模拟方法，其特征在于所述在四边形平面的两个维度上作随机的拉伸和压缩，其拉伸和压缩采用rand()和srand()函数、通过二次随机法在云层平面的两个维度上作随机的拉伸和压缩。

5.按权利要求1所述真实感云层的综合模拟方法，其特征在于所述实现云景的可视化，其可视化方法采用“VC+OpenGL”技术实现。

6.按权利要求1所述真实感云层的综合模拟方法，其特征在于所述对于距离小于阈值的云、采用多层公告板技术设置，其公告板的层数为5-7层。

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