CN103247066A - 基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法，包括建立太阳运行轨道模型、建立云层粒子模型、建立雨水粒子模型、建立雪花粒子模型和利用所建立的模型对聚落自然与气象环境进行仿真；本发明所设计的基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法能够根据气候状况条件建立仿真模型，对聚落自然与气象环境进行仿真。

Description

基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法

技术领域

本发明属于气象信息的三维可视化领域，利用粒子技术实现了聚落自然与气象环境的仿真。

背景技术

基于粒子系统来模拟不规则的物体运动一直是图形学的研究重点，粒子系统具有易于操作控制的灵活性，并能客观真实地反映现实物体的运动特征，模拟的效果逼真度高，所以被广泛地应用在多种流体的仿真，如国内外学者应用该种方法成功地实现了对火焰^[1]、雨雪^[2]、烟雾^[3]、云彩^[4]等视觉效果。

云场景的构建能够提供观察者更加逼真的浏览漫游效果，在虚拟战场环境仿真、气象天气预报系统、动画动漫影视中应用越来越广泛，真实感要求也越来越高，所以云层的三维可视化的研究与实现是非常必要的。云层作为聚落虚拟重现场景中重要的自然气象环境，同时云层也是天空场景中重要实体对象，对其进行可视化可以增强天空的逼真度，使得虚拟重现的整个场景视觉效果更好。

现实生活中云层具有以下几个特点：第一，云是运动的，云的形状、数量是实时变化的；第二，云在结构上具有很大的相似性；第三，云具有一定的厚度，有较强的体积感。由于云具有上述的特点，使得它外形特征具有不光滑、不规则性；其运动更是具有不确定性，很难用精准的数学模型来描述云的外形和运动特征，对其研究有很大的难度，对云层的三维建模与绘制已经成为计算机图形学领域的热点和难点之一。

国内外对云建模进行研究的常用方法有基于体过程建模方法、基于分形的云建模方法和基于文法的云建模方法等。1985年Goerffye Y.Garnder就提出天空平面和纹理函数构建云的模型，纹理函数是由一系列数学方程式组成，KenPerlin曾提出应用Perlin噪音函数生成纹理，对这些函数的输入参数进行调整以产生不同类型的纹理，最后把纹理映射到天空面上生成云。1996年Y.Dobashi等提出基于分形几何的原理建立云的模型。

气象环境中的雨水滴和雪花飘落是一个重力过程，雨水滴和雪花飘落都是在地球引力下进行的运动，在建模的过程中粒子的运动规律的复杂度取决于模拟的物理模型的复杂程度。对于所构建的实体的每一个粒子，它应具有以下属性：第一是坐标方位，因为粒子在场景空间的展示过程是不断的变换，其坐标和方位随着时间而改变，并根据运动方程得到其坐标方位；第二是速度，运动的粒子具有速度，可以根据系统需求，设置粒子具备不同的速度，速度主要影响粒子下一刻的坐标；第三是加速度，粒子在运动过程中有时候需要做关于加速度的运动，比如一颗发射的子弹，需要设置加速度才能更逼真地反映真实的情况；第四个属性是粒子在场景的绘制过程中，具有生命，如雪花在飘落的过程中，一直维系存在，当接近地面的时候就会被系统消除。

使用粒子系统来构建雨水滴和雪花飘落的效果，除了上述关于粒子的相关属性外，还包含了一些静态的属性，分别是雨水滴的形状，可以选择矩形和圆形；而雪花的形状选择为圆形。当然也可以采用更为真实的表现方式，采用三维的立体的四面体代替矩形，球体代替圆形；雨水滴的大小是一样的，而雪花的大小共分为大中小三种；雨水滴和雪花在场景中的颜色与透明度也需设置。

雨水滴和雪花粒子在绘制过程中具有相应的属性特征，包含运动属性与绘制属性。其中运动属性主要是粒子的运动速度、加速度、生命期等，绘制属性包含粒子的大小、纹理特征、透明度^[5]等。除此之外还包含大量粒子群运动效果，主要是群体如何运动、群体的密度分布。雨水和雪花粒子按照设定的动力学方程进行变化，其产生可以使用一个随机过程控制，实现群体的运动特征，设置在某个时间段进入场景渲染的粒子数目直接到达模拟对象的群体密度分布。

参考文献

[1]张芹,胡慧中等.基于粒子系统的火焰模型及其生成方法研究.计算机辅助设计与图形学学报[J].2001,13(l):78-82.

[2]王润杰.田景全等.基于粒子系统的实时雨雪模拟.系统仿真学报[J].2003,15(4):495-496,501.

[3]商书元,张军等.一种快速实时烟雾仿真方法.火力与指挥控制[J]..2003,28(3):66-68,74.

[4]范波涛,贾雁.虚拟现实中虚拟场景的建模技术.山东大学学报[J].2004,2(34):18-21.

[5]管宇,邹林灿,陈为等.基于粒子系统的实时瀑布模拟[J].系统仿真学报,2004,16:2471-2475.

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够根据气候状况条件建立仿真模型，对聚落自然与气象环境进行仿真的基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：本发明设计了一种基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法，包括如下具体步骤：

步骤（1）：建立太阳运行轨道模型；

步骤（2）：建立云层粒子模型；

步骤（3）：建立雨水粒子模型；

步骤（4）：建立雪花粒子模型；

步骤（5）：利用步骤（1）至步骤（4）所建立的模型对聚落自然与气象环境进行仿真。

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（1）包括如下具体处理：

步骤（11）：使用GL_QUADS图元绘制了一个根据4个顶点的顺时针环绕的四边形，该四边形的4个角位于同一个平面中，同时使用坐标变换、矩阵变换和颜色混和、纹理贴图、雾效果、深度测试等实现；

步骤（12）：太阳的位置随着时间的变换而变换，太阳绕中心点O旋转运动，设置其旋转的时间为12个小时，在坐标系中设定其旋转的高度是H，直径为R，速度V是根据其时间计算得到，其具体的内容有：首先根据当前系统设置的季节，假如是夏天，那么白天时间设置为5：00～19：00，否则旋转时间设置为7：00～17：00。其次是初始化太阳的高度、方位，并根据时间的变换求其在空间的坐标；

步骤（13）：在太阳的渲染过程中，除了包含太阳这个实体，为了更加逼真地反映太阳光照的效果，在系统中，包含了多种纹理，太阳的光线在穿越云层照射在地面的过程中，产生光线的散射效果。

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（2）包括如下具体处理：

步骤（21）：云构建的粒子是球状的，其厚度从中心开始逐渐的递减至边缘，而且该变化的过程要求连续，所以要求纹理灰度值按照粒子的这一特征进行变化，用高斯函数分布可以有效地实现对其描述，如下所示：

$h\left(d\right)=\frac{\mathrm{\ρ}}{\sqrt{2\mathrm{\π\σ}}}\exp (-\frac{d^2}{{2\mathrm{\σ}}^2})$

其中d表示到粒子中心的距离，h(d)表示到粒子中心长度d处纹理对应的灰度值；

步骤（22）：通过ρ数值的改变可以对粒子中心灰度数值进行调整，ρ的取值范围是

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（3）包括如下具体处理：

基于粒子系统的雨水滴模拟的方法，特征在于按照现实重力特征对雨水滴运动进行模拟，按照雨水的大小，设置其大小和数量如下：

雨水滴的运动方程是描述雨水粒子在场景中运动的方程，现实中雨水的运动过程是一个重力下降的过程，但是在场景中按照该种方式进行运动，产生的快速的滑落会给用户带来的效果不够逼真，因为场景幅度较小，雨水滴滑落过程时间过短，所以很难感受到雨水下落的过程。所以在系统中设置雨水为匀速直线运动，设定particle-pos.y(n)为第n帧某个雨水滴粒子的Y坐标，则第n+1帧的Y坐标为：particle-pos.y(n+1)=particle-pos.y(n)-dy，其中dy是雨水滴粒子下降的速度参数。

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（4）包括如下具体处理：

步骤（41）：基于粒子系统的雪花评估方法，雪花粒子的运动方程是描述雪花在场景中运动过程的，雪花粒子的飘零和雨水滴不一样，其飘落的过程可以以正弦曲线下落，设置某个雪花粒子的初始化的相位角为a(0)，并初始化其数值为随机地确定a(0)=360.0*rand()；

步骤（42）：以后每帧的相位角为a(n)=a(n-1)+△a，其中△a为相位角增量，那么第n帧的雪花粒子的位置坐标可以计算得到：

Particle_pos.x(n)=Particle_pos.x(0)+K*sin(a(n))

Particle_pos.z(n)=Particle_pos.z(0)+K*cos(a(n))

Particle_pos.y(n)=Particle_pos.y(n-1)-dy

其中，Particle_pos.x(0)，Particle_pos.z(0)是初始化分布初值，K是振幅常数。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明所设计的基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法能够根据气候状况条件建立仿真模型，对聚落自然与气象环境进行仿真。

附图说明

图1为本发明中建立的太阳运行轨道模型；

图2是聚落中自然与气象环境仿真方法实施流程图；

图3是自然场景中太阳与月亮、白天与黑夜效果实施流程图；

图4是雨水滴效果实施流程图；

图5是雪花效果实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：

本发明设计了一种基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法，包括如下具体步骤：

步骤（1）：建立太阳运行轨道模型；

步骤（2）：建立云层粒子模型；

步骤（3）：建立雨水粒子模型；

步骤（4）：建立雪花粒子模型；

步骤（5）：利用步骤（1）至步骤（4）所建立的模型对聚落自然与气象环境进行仿真。

如图1所示，作为本发明的一种优化方法：所述步骤（1）包括如下具体处理：

步骤（11）：使用GL_QUADS图元绘制了一个根据4个顶点的顺时针环绕的四边形，该四边形的4个角位于同一个平面中，同时使用坐标变换、矩阵变换和颜色混和、纹理贴图、雾效果、深度测试等实现；

步骤（12）：太阳的位置随着时间的变换而变换，太阳绕中心点O旋转运动，设置其旋转的时间为12个小时，在坐标系中设定其旋转的高度是H，直径为R，速度V是根据其时间计算得到，其具体的内容有：首先根据当前系统设置的季节，假如是夏天，那么白天时间设置为5：00～19：00，否则旋转时间设置为7：00～17：00。其次是初始化太阳的高度、方位，并根据时间的变换求其在空间的坐标；

步骤（13）：在太阳的渲染过程中，除了包含太阳这个实体，为了更加逼真地反映太阳光照的效果，在系统中，包含了多种纹理，太阳的光线在穿越云层照射在地面的过程中，产生光线的散射效果。

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（2）包括如下具体处理：

步骤（21）：云构建的粒子是球状的，其厚度从中心开始逐渐的递减至边缘，而且该变化的过程要求连续，所以要求纹理灰度值按照粒子的这一特征进行变化，用高斯函数分布可以有效地实现对其描述，如下所示：

$h\left(d\right)=\frac{\mathrm{\ρ}}{\sqrt{2\mathrm{\π\σ}}}\exp (-\frac{d^2}{{2\mathrm{\σ}}^2})$

其中d表示到粒子中心的距离，h(d)表示到粒子中心长度d处纹理对应的灰度值；

步骤（22）：通过ρ数值的改变可以对粒子中心灰度数值进行调整，ρ的取值范围是

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（3）包括如下具体处理：

基于粒子系统的雨水滴模拟的方法，特征在于按照现实重力特征对雨水滴运动进行模拟，按照雨水的大小，设置其大小和数量如下：

雨水滴的运动方程是描述雨水粒子在场景中运动的方程，现实中雨水的运动过程是一个重力下降的过程，但是在场景中按照该种方式进行运动，产生的快速的滑落会给用户带来的效果不够逼真，因为场景幅度较小，雨水滴滑落过程时间过短，所以很难感受到雨水下落的过程。所以在系统中设置雨水为匀速直线运动，设定particle-pos.y(n)为第n帧某个雨水滴粒子的Y坐标，则第n+1帧的Y坐标为：particle-pos.y(n+1)=particle-pos.y(n)-dy，其中dy是雨水滴粒子下降的速度参数。

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（4）包括如下具体处理：

步骤（41）：基于粒子系统的雪花评估方法，雪花粒子的运动方程是描述雪花在场景中运动过程的，雪花粒子的飘零和雨水滴不一样，其飘落的过程可以以正弦曲线下落，设置某个雪花粒子的初始化的相位角为a(0)，并初始化其数值为随机地确定a(0)=360.0*rand()；

步骤（42）：以后每帧的相位角为a(n)=a(n-1)+△a，其中△a为相位角增量，那么第n帧的雪花粒子的位置坐标可以计算得到：

Particle_pos.x(n)=Particle_pos.x(0)+K*sin(a(n))

Particle_pos.z(n)=Particle_pos.z(0)+K*cos(a(n))

Particle_pos.y(n)=Particle_pos.y(n-1)-dy

其中Particle_pos.x(0)，Particle_pos.z(0)是初始化分布初值，K是振幅常数。

如图2至图5所示，所述步骤（5）包括如下具体步骤：

步骤10选择气候季节特征，一年需要经历春夏秋冬四个季节，而不同的季节现实生活中的自然和气象环境是不同的，所以根据当前的需要选定季节；

步骤11选择地面纹理，不同的气候状况下，其地面特征不同，根据10步骤中选择的气候条件，系统选择相对应的地面纹理；

步骤20选择气象条件，系统所模拟现实的生活中包含了晴朗、多云、雨天、雪天等，所以使得自然环境的场景变换才能符合这些气象环境的变换；

步骤21选择天空纹理，不同气象环境下的天空的颜色特征是不同的，例如晴朗要比多云要明亮许多，通过天空纹理的选择使得重现后的场景更加逼真；

步骤30选择云层的类型，不同的气象环境下，天空中包含了不同类型的云层，如积雨云、卷积云等，这些云不仅外形与颜色特征不同，而且其运动的方式也不同；

步骤31选择云层的绘制方法，由于云层的类型不同，云层的颜色与其运动方式不同，所以其绘制的方法也不一样，使用相对应的方法来完成云层的绘制；

步骤40选择云绘制参数，云层纹理的设置、云的粒子数目、粒子的运动方式；

步骤50太阳与月亮、白天与黑夜效果特征参数设置，如图3所示，其运动的方式如下：

步骤5001控制相关参数并进入白天效果，使得场景画面亮度鲜明；

步骤5002初始化太阳的相关参数，如太阳在场景中的时间M、起始位置、运行的方向等；

步骤5003判断当前时间与太阳在系统中维持的总时间M的关系；

步骤5004根据当前太阳的运动速度与时间关系，调整太阳的高度；

步骤5005根据当前太阳的运动速度与时间关系，调整太阳的移动方向；

步骤5006根据当前太阳的运动速度与时间关系，调整太阳的坐标位置；

步骤5007根据当前太阳的运动速度与时间关系，调整太阳的纹理与颜色亮度；

步骤5008时间增加；

步骤5009进入黑夜效果；

步骤5010初始化月亮的相关参数，如月亮在场景中的时间M、起始位置、运行的方向、纹理等；

步骤5011判断当前时间与月亮在系统中维持的时间M的关系；

步骤5012根据当前月亮的运动速度与时间关系，调整月亮的高度；

步骤5013根据当前月亮的运动速度与时间关系，调整月亮的移动方向；

步骤5014根据当前月亮的运动速度与时间关系，调整月亮的坐标位置；

步骤5015根据当前月亮的运动速度与时间关系，调整月亮的纹理与颜色亮度；

步骤5016时间增加；

步骤5017转5001。

在具体实施例中，我们对对雨水的仿真包括如下步骤：

如图4所示，步骤60雨水下落的过程是按照一定的运动方式，并且包含了不同大小降雨，其运动的方式如下：

步骤6001输入降雨量的大小，可以分为大雨、中雨、小雨；

步骤6002判断输入的降雨的大小；

步骤6003初始化小雨滴粒子；

步骤6004初始化中雨滴粒子；

步骤6005初始化大雨滴粒子；

步骤6006设置较少数量的雨水滴粒子；

步骤6007设置适当数量的雨水滴粒子；

步骤6008设置众多数量的雨水滴粒子；

步骤6009至6011设置雨水滴更新的时间间隔；

步骤6012设置雨水滴粒子的运动方式；

步骤6013设置雨水滴粒子的纹理；

步骤6014设置雨水滴粒子的消逝方式；

在具体实施例中，我们对于雪花的仿真包括如下步骤：

如图5所示，步骤70雪花包含了不同形状，其下落的过程是按照一定的重力运动方式，并且包含了不同大小降雪，其运动的方式如下：

步骤7001输入降雪量的大小，可以分为大雪、中雪、小雪；

步骤7002判断输入的降雪的大小；

步骤7003初始化小雪花粒子；

步骤7004初始化中雪花粒子；

步骤7005初始化大雪花粒子；

步骤7006设置较少数量的小雪花粒子；

步骤7007设置适当数量的中雪花粒子；

步骤7008设置众多数量的大雪花粒子；

步骤7009至步骤7011设置雪花更新的时间间隔；

步骤7012选择雪花粒子形状；

步骤7013柱状雪花粒子构建；

步骤7014树枝星状雪花粒子构建；

步骤7015六角棱柱雪花粒子构建；

步骤7016至7018设置各种形状的雪花纹理；

步骤7019设置雪花的运动方式；

步骤7020设置雪花的消逝方式。

通过上述的仿真步骤，我们就可以对聚落自然与气象环境进行全面的仿真。

Claims (5)

1.一种基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤（1）：建立太阳运行轨道模型；

步骤（2）：建立云层粒子模型；

步骤（3）：建立雨水粒子模型；

步骤（4）：建立雪花粒子模型；

步骤（5）：利用步骤（1）至步骤（4）所建立的模型对聚落自然与气象环境进行仿真。

2.根据权利要求1所述的基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法，其特征在于，所述步骤（1）包括如下具体处理：

步骤（11）：使用GL_QUADS图元绘制了一个根据4个顶点的顺时针环绕的四边形，该四边形的4个角位于同一个平面中，同时使用坐标变换、矩阵变换和颜色混和、纹理贴图、雾效果、深度测试等实现；

步骤（12）：太阳的位置随着时间的变换而变换，太阳绕中心点O旋转运动，设置其旋转的时间为12个小时，在坐标系中设定其旋转的高度是H，直径为R，速度V是根据其时间计算得到，其具体的内容有：首先根据当前系统设置的季节，假如是夏天，那么白天时间设置为5：00～19：00，否则旋转时间设置为7：00～17：00，其次是初始化太阳的高度、方位，并根据时间的变换求其在空间的坐标；

步骤（13）：在太阳的渲染过程中，除了包含太阳这个实体，为了更加逼真地反映太阳光照的效果，在系统中，包含了多种纹理，太阳的光线在穿越云层照射在地面的过程中，产生光线的散射效果。

3.根据权利要求1所述的基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法，其特征在于，所述步骤（2）包括如下具体处理：

步骤（21）：云构建的粒子是球状的，其厚度从中心开始逐渐的递减至边缘，而且该变化的过程要求连续，所以要求纹理灰度值按照粒子的这一特征进行变化，用高斯函数分布可以有效地实现对其描述，如下所示：

$h\left(d\right)=\frac{\mathrm{\ρ}}{\sqrt{2\mathrm{\π\σ}}}\exp (-\frac{d^2}{{2\mathrm{\σ}}^2})$

其中d表示到粒子中心的距离，h(d)表示到粒子中心长度d处纹理对应的灰度值；

步骤（22）：通过ρ数值的改变可以对粒子中心灰度数值进行调整，ρ的取值范围是

4.根据权利要求1所述的基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法，其特征在于，所述步骤（3）包括如下具体处理：

基于粒子系统的雨水滴模拟的方法，特征在于按照现实重力特征对雨水滴运动进行模拟，按照雨水的大小，设置其大小和数量如下：

雨水滴的运动方程是描述雨水粒子在场景中运动的方程，现实中雨水的运动过程是一个重力下降的过程，但是在场景中按照该种方式进行运动，产生的快速的滑落会给用户带来的效果不够逼真，因为场景幅度较小，雨水滴滑落过程时间过短，所以很难感受到雨水下落的过程所以在系统中设置雨水为匀速直线运动，设定particle-pos.y(n)为第n帧某个雨水滴粒子的Y坐标，则第n+1帧的Y坐标为：particle-pos.y(n+1)=particle-pos.y(n)-dy，其中dy是雨水滴粒子下降的速度参数。

5.根据权利要求1所述的基于粒子技术的聚落自然与气象环境仿真算法，其特征在于，所述步骤（4）包括如下具体处理：

步骤（41）：基于粒子系统的雪花评估方法，雪花粒子的运动方程是描述雪花在场景中运动过程的，雪花粒子的飘零和雨水滴不一样，其飘落的过程可以以正弦曲线下落，设置某个雪花粒子的初始化的相位角为a(0)，并初始化其数值为随机地确定a(0)=360.0*rand()；

步骤（42）：以后每帧的相位角为a(n)=a(n-1)+△a，其中△a为相位角增量，那么第n帧的雪花粒子的位置坐标可以计算得到：

Particle_pos.x(n)=Particle_pos.x(0)+K*sin(a(n))

Particle_pos.z(n)=Particle_pos.z(0)+K*cos(a(n))

Particle_pos.y(n)=Particle_pos.y(n-1)-dy

其中，Particle_pos.x(0)，Particle_pos.z(0)是初始化分布初值，K是振幅常数。

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