CN104143205A - 大规模真实感体积云的实时渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在流处理器上实现大规模真实感体积云实时渲染的方法。包括基于LOD(LevelofDetail)技术的新型网格模型，控制云形状的2D纹理，云的多重前向散射模型，以及云的光照计算。本发明的新颖之处在于通过立方体纹理实现了对天空、太阳的反射效果，通过3D纹理存储预先计算的光照结果，简化云的光照计算；并综合考虑云在天空中的覆盖率以及云的浓淡和风等因素。本方法特别适合云覆盖大部分或全部天空时的实时渲染，具有速度快，仿真度高，平台兼容性好的优点。

Description

大规模真实感体积云的实时渲染方法

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的大规模真实感体积云的实时渲染方法。 

背景技术

自然景物的渲染技术一直伴随着计算机图形学的发展而不断发展，尤其是近年来随着GPU可编程技术的突飞猛进，GPU在自然景物模拟中的应用越来越广泛，并取得了大量研究成果。同其它自然景物的渲染相比，云由于没有定义良好的边界以及模拟和光照计算的复杂性，大规模体积云的实时渲染无疑是具有挑战性的图形学研究方向之一.针对云渲染的研究，相关工作可分为模拟、几何建模和渲染三部分。模拟大致可以分成两大类：一类是基于物理的方法，另一类是基于启发式的方法。基于物理的方法主要是通过计算流体力学求出其数字解，并考虑由云粒子引起的对光的散射和吸收，这类方法是计算密集型的，需要占用大量的计算资源。大部分基于启发式的方法是过程模型，这类方法计算量不大且易于实现，但需要对大量的参数进行手动调试.由于云没有固定的边界，很难通过建立静态的几何模型实现体积云的渲染，因而几何建模尤其重要。在先方法 [1] （参见Harris M J, and Lastra A. Real-time cloud rendering. Computer Graphics Forum, 2001, 20(3): 76-84）采用3D纹理存储预先计算的简化光照和多重前向散射及自阴影结果，在GPU上实现了云的实时渲染算法，这种方法可以进行实时渲染，但难于对云的细节变化进行控制.在先方法 [2] （Wang N. Realistic and Fast Cloud Rendering in Computer Games. ACM SIGGRAPH 2003 Sketches & Applications, San Diego, California, 2003. New York: ACM Press, 2003:  1–1）采用粒子系统和假体（Imposter）建立了云的几何模型，具有一定的代表性. 

不同于在先方法[1]，本发明提出了一种基于LOD技术的几何模型对云建模；不同在先方法[2]，为了提高渲染效率，采用两步算法，第一步计算光照或阴影，第二步运用第一步的结果渲染最终图像。

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体积云实时渲染的方法，解决没有良好定义边界的云的模拟和渲染过程中复杂光照计算的挑战性问题.本发明的大规模真实感体积云实时渲染的方法首先利用一种基于LOD技术的几何模型对云建模，采用2D纹理控制云的外形；其次采用预处理对云的光照进行计算，建立云的多重前向散射以及天空光照函数，并将计算结果存储在3D纹理中，最后利用GPU进行大规模体积云的实时渲染，并对云在天空中的覆盖率以及云的浓淡、风等因素进行了模拟。 

本发明的基本原理如下。 

一、一种基于动态布告板(Billboard)技术的两级LOD几何模型。LOD₁采用多层同心圆形网格模型，是模型的低级LOD，网格的层数与云层的厚度有关，并对渲染效果和渲染速度有直接影响。层数越多，最终的渲染效果越好，同样也需要更多的渲染时间；较少的层数尽管可以提高渲染效率，但是当观察角度较小时，将会看到层与层之间的空隙。给定层数 ，云底高，云层厚度，则第层的高度由公式（1）计算： 

                                                        (1)

LOD₀采用动态布告板技术，不同于通常的布告板围绕固定的旋转中心且保持布告板的尺寸不变，动态布告板的旋转中心和布告板的尺寸是逐帧计算的。布告板的尺寸变化是为了保证其能够与云层的厚度保持一致，这是体积云的渲染必需的；布告板旋转中心的变化主要是由于布告板的数量也是变化的，当观察方向垂直于云层时，布告板的数量与LOD₁的云层层数相等，而当视点位于云层中且观察方向沿着云层的方向时，布告板的数量将达到最大值，此时较多的布告板将得到较好的渲染效果。

二、多重散射光照模型模拟光线在云层中的传输与变化。给定光源方向和位置，点的光照为到达点的所有光，其散射为： 

                           (2)

式中，为云层外沿方向的光照强度，为云中深度t处的衰减系数，为光线沿传播方向在云中经过的深度，且

                                                 (3)

表示在点处光线从所有方向散射到方向的光照，为双向散射分布函数，该函数可进一步展开为

                                               (4)

式中，为点处介质的反照率，为相函数.本发明只计算多重前向散射，因而公式(3)中, 且。满足上述条件的散射角只有一个很小的固定值，由于足够小，可以假定在内的和为常量，因此在仿真计算中公式(3)可以简化为：

       (5)

在仿真计算中将光线在云中经过的路径从0到切分成段，每一段为，从1到，则：

          (6)

式中，为光线到达云层边界时的强度.分段后的形式为。为了便于硬件实现，本发明将公式(6)改写为：

             (7)。

三、解决云磁片效应的外观控制。为使渲染出的体积云具有厚度变化，在存储光照结果的3D纹理中增加一个通道，以实现云的厚度变化。由于该3D纹理采用复制模式铺设，从而不可避免的会出现常见的磁片效应，为了解决这一问题，本发明引入一张单通道2D纹理，对3D纹理的通道进行调制，调制后的值由公式(8)表述： 

             (8)

式中，为3D纹理的a值，为单通道2D纹理的颜色值。

四、云的覆盖率与浓度渲染。云在天空中所占的区域不是一成不变的，有时云会覆盖大部分天空，有时仅覆盖其中一小部分。为了模拟这一现象，本发明引入了覆盖率，以便对值进行进一步调制，此时值由公式(9)表述： 

           (9)

当时，该公式与公式(8)一致；时，天空中的云量将减少。覆盖率主要是对2D纹理进行调制，除此之外，本发明通过引入浓度系数对云的浓度进行控制。此时值由公式(10)表述：

         (10)

当时，公式(10)与公式(9)一致，当时，单个云团的浓度将发生相应变化。

本发明的技术效果： 

本发明与在先技术[1]的不同之处在于，本发明提出了一种基于LOD技术的几何模型对云建模，这种几何模型将跟随着视点在水平方向运动，因而几乎没有范围限制，具有更好的真实感。与在先技术[2]的不同之处在于，本发明对光照模型的计算采用两步算法，第一步对光照进行预计算，并将结果存储在一个3D纹理中，第二步运用其结果进行云的渲染，其中第一步工作可以离线进行，提高了渲染效率和实时性。

附图说明。 

图1为本发明给出的云的几何模型. 

图2为本发明给出的增加了视线散射的云模型渲染结果.

图3为本发明给出的2D纹理及调制后的云层渲染结果，图3(a)  用于2D调制的纹理，图3(b) 调制后渲染的结果.

图4为本发明给出的不同覆盖率时的云层仿真，图4 (a)是覆盖率C=1时的云层仿真，图4 (b)是覆盖率C=0.6时的云层仿真.

图5为本发明给出的覆盖率C=0.6, 浓度D=0.3时的云层仿真.

图6为本发明给出的视点分别中云层下、云层中和云层上时大规模场景渲染结果，其中，图6(a)是视点位于云下时大规模场景渲染结果，图6(b)是视点位于云中时大规模场景渲染结果，图6(c)是视点位于云上时大规模场景渲染结果。

具体实施方式： 

本实施方式结合图1-6对本发明进行具体介绍.

(1) 首先建立一种基于动态布告板(Billboard)技术的两级LOD几何模型，如图1所示。LOD₁采用多层同心圆形网格模型，是模型的低级LOD，网格的层数与云层的厚度有关，并对渲染效果和渲染速度有直接影响，层数越多，最终的渲染效果越好，同样也需要更多的渲染时间；较少的层数尽管可以提高渲染效率，但是当观察角度较小时，将会看到层与层之间的空隙。仿真过程中可根据具体情况进行取舍。LOD₀采用动态布告板技术，不同于通常的布告板围绕固定的旋转中心且保持布告板的尺寸不变，动态布告板的旋转中心和布告板的尺寸是逐帧计算的。布告板的尺寸变化是为了保证其能够与云层的厚度保持一致；布告板旋转中心的变化主要是由于布告板的数量也是变化的，当观察方向垂直于云层时，布告板的数量与LOD₁的云层层数相等，而当视点位于云层中且观察方向沿着云层的方向时，布告板的数量将达到最大值，此时较多的布告板将得到较好的渲染效果。如果给定云层数，云底高，云层厚度，则第层云的高度由公式（1）计算：

              (1)

(2) 在光照计算中建立多重前向散射模型，以模拟光线在云层中的传输与变化。给定光源方向和位置，点的光照为到达点的所有光，其散射由公式(2)计算：

             (2)

这里，为云层外沿方向的光照强度，为云中深度t处的衰减系数，为光线沿传播方向在云中经过的深度，且

           (3)

表示在点处光线从所有方向散射到方向的光照，为双向散射分布函数，该函数可进一步展开为

           (4)

这里，为点处介质的反照率，为相函数.

本发明只计算多重前向散射模型，因而公式(3)中, 且。满足上述条件的散射角只有一个很小的固定值，由于足够小，可以假定在内的和为常量，因此在仿真计算中公式(3)可以简化为：

       (5)

在仿真计算中将光线在云中经过的路径从0到切分成段，每一段为，从1到，则：

          (6)

这里，为光线到达云层边界时的强度。分段后的形式为。为了便于硬件实现，本发明将公式(6)改写为：

             (7)

利用多重前向散射模型，并增加视线散射后渲染的云如图2所示.

(3) 对云外观进行控制。为使渲染出的体积云具有厚度变化，在存储光照结果的3D纹理中增加一个通道，以实现云的厚度变化。由于该3D纹理采用复制模式铺设，从而不可避免的会出现常见的磁片效应，为了解决这一问题，本发明引入一张单通道2D纹理，对3D纹理的通道进行调制，调制后的值由公式(8)表述：

             (8)

这里，为3D纹理的a值，为单通道2D纹理的颜色值。2D纹理及调制后的结果分别如图3(a)和图3(b)所示.

(4) 计算云的覆盖率与浓度。云在天空中所占的区域不是一成不变的，有时云会覆盖大部分天空，有时仅覆盖其中一小部分。为了模拟这一现象，本发明引入了覆盖率，以便对值进行进一步调制，此时值由公式(9)表述： 

           (9)

当时，该公式与公式(8)一致；时，天空中的云量将减少，图4(a)和图4(b)分别为和时的渲染结果，可见，图4(b)的云量明显减少了.

覆盖率主要是对2D纹理进行调制，除此之外，本发明通过引入浓度系数对云的浓度进行控制。此时值由公式(10)表述：

         (10)

当时，公式(10)与公式(9)一致，当时，单个云团的浓度将发生相应变化。图5为和时的渲染结果.

(5) 本发明通过GPU实现了文中的算法，并将本发明的方法与在先方法[1]和在先方法[2]进行渲染速度对比实验，实验采用普通PC（Pentium D 3.0 GHz，1 GB内存，NVIDIA GTX260+显卡，分辨率1280×1024），在可视范围为10公里时，文献[5]的方法平均帧率为100帧/秒，在先方法[2]为210帧/秒，本发明的方法为380帧/秒，而当可视范围由10公里增加到90公里时，在先方法[1]平均帧率为30帧/秒，在先方法[2]为140帧/秒，而本发明仍然保持了350帧/秒的高帧率，结果如表1所示。本发明的高帧率与本发明采用的LOD几何模型以及预先对光照结果进行计算是分不开的.

                    表1 不同方法渲染帧率对比

 (6) 本发明成功地实现了大规模真实感体积云的实时渲染。在上述实验用PC上，包括全球数据库、多种三维实体及多种特殊效果等的复杂场景下，在1400×1050的较高分辨率下稳定的运行在60帧/s交互帧率下，渲染效果如图6(a)-(c)所示。

Claims (7)

1.一种基于动态布告板(Billboard)技术的两级LOD几何模型,LOD₁采用多层同心圆形网格模型，是模型的低级LOD，网格的层数与云层的厚度有关，并对渲染效果和渲染速度有直接影响.层数越多，最终的渲染效果越好，同样也需要更多的渲染时间；较少的层数尽管可以提高渲染效率，但是当观察角度较小时，将会看到层与层之间的空隙。

2.给定层数                                                ，云底高，云层厚度，则第层的高度由公式（1）计算：

              (1)

LOD₀采用动态布告板技术，不同于通常的布告板围绕固定的旋转中心且保持布告板的尺寸不变，动态布告板的旋转中心和布告板的尺寸是逐帧计算的,布告板的尺寸变化是为了保证其能够与云层的厚度保持一致，这是体积云的渲染必需的；布告板旋转中心的变化主要是由于布告板的数量也是变化的，当观察方向垂直于云层时，布告板的数量与LOD₁的云层层数相等，而当视点位于云层中且观察方向沿着云层的方向时，布告板的数量将达到最大值，此时较多的布告板将得到较好的渲染效果。

3.多重散射光照模型模拟光线在云层中的传输与变化.给定光源方向和位置，点的光照为到达点的所有光，其散射为：

             (2)

式中，为云层外沿方向的光照强度，为云中深度t处的衰减系数，为光线沿传播方向在云中经过的深度，且

           (3)

表示在点处光线从所有方向散射到方向的光照，为双向散射分布函数，该函数可进一步展开为

           (4)

式中，为点处介质的反照率，为相函数,本发明只计算多重前向散射，因而公式(3)中, 且。

4.满足上述条件的散射角只有一个很小的固定值，由于足够小，可以假定在内的和为常量，因此在仿真计算中公式(3)可以简化为：

       (5)

在仿真计算中将光线在云中经过的路径从0到切分成段，每一段为，从1到，则：

          (6)

式中，为光线到达云层边界时的强度,分段后的形式为。

5.为了便于硬件实现，本发明将公式(6)改写为：

             (7)

解决云磁片效应的外观控制.为使渲染出的体积云具有厚度变化，在存储光照结果的3D纹理中增加一个通道，以实现云的厚度变化.由于该3D纹理采用复制模式铺设，从而不可避免的会出现常见的磁片效应，为了解决这一问题，本发明引入一张单通道2D纹理，对3D纹理的通道进行调制，调制后的值由公式(8)表述：

             (8)

式中，为3D纹理的a值，为单通道2D纹理的颜色值。

6.云的覆盖率与浓度渲染.云在天空中所占的区域不是一成不变的，有时云会覆盖大部分天空，有时仅覆盖其中一小部分.为了模拟这一现象，本发明引入了覆盖率，以便对值进行进一步调制，此时值由公式(9)表述： 

           (9)

当时，该公式与公式(8)一致；时，天空中的云量将减少。

7.覆盖率主要是对2D纹理进行调制，除此之外，本发明通过引入浓度系数对云的浓度进行控制,此时值由公式(10)表述：

         (10)

当时，公式(10)与公式(9)一致，当时，单个云团的浓度将发生相应变化。