CN109377541A - 一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统和方法，方法步骤：S1开始；S2获取指定地区的天气数据；S3将天气数据参数化处理为参数字符串；S4将参数字符串传递给着色器；S5将三维植被模型及纹理贴图导入三维引擎；S6三维引擎获取三维植被模型的材质对象；S7三维引擎对三维场景进行渲染处理；S8输出渲染结果；S9结束；所述着色器根据参数化的气象数据对三维植被模型进行顶点和像素表现的计算和映射，从而获得不同气象条件下三维植被模型的不同表现。本发明基于一种着色器实现了多种气象的三维表现，解决了现有气象条件改变，需手动拖拽修改着色器或预制大量不同天气下三维模型的麻烦，节省人力物力，符合人对气象信息的感知习惯。

Description

一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统和方法

技术领域

本发明属于气象可视化技术领域，具体涉及一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统和方法。

背景技术

随着气象信息化的大力推进，三维可视化逐渐体现出它相对二维展现的优势，如更加直观、形象，对气象的表现更加准确到位。

目前三维可视化技术日益成熟，市面上有很多专业的三维引擎，可以用于实现三维可视化的展示、互动以及数据处理，而在三维引擎中，所有图形绘制都必须通过shader(着色器)来实现。着色器技术在计算机图形学中被广泛使用，可用于增强三维可视化的效果表现。着色器实际上是一段程序，负责将输入的三维模型的Mesh(网格)以指定的方式与输入的贴图或颜色等组合作用，然后输出，绘图单元根据这个输出将三维模型绘制到屏幕上。

目前气象表现多是通过二维表现，现有的基于二维动态图像展示天气的系统，需要提前针对不同的季节、天气设置众多不同的模型，比如以人物为模型时，需要提前设置春天的人，夏天的人，秋天的人，冬天的人，同一个季节下，又需要分别设置雨天的人，晴天的人，阴天的人等等，系统繁琐；虽然基于二维动态图像展示天气的方法，也可以根据风力风向大小调整植被模型的摆动幅度和频次，但能做出的调整也仅限摆动的幅度和频次，模型本身的形态等难以做出改变，不够直观，形象，也无法通过单一模型同时展示风力风向、雨量等多种气象信息，所以必须需要提前准备多种二维的动态模型，通过不同的模型展示不同的气象信息，增加了系统的复杂性。

现有的基于三维进行气象表现的很少，而已有的三维表现也只是通过着色器零散地实现单独风力表现效果或单独湿度表现效果，并且基本都处于在三维引擎中调整好效果无法动态修改表现效果的情况，或者提前针对晴天、雨天、阴天、雪天等设置不同的三维模型，并对各模型设置不同的三维渲染模块，根据气象信息的变化，在不同的三维模型之间进行切换展示，甚至有时候，需要人工手动拖拽修改着色器，系统复杂，对气象信息的表现效果不佳，工作效率低等缺点。可见目前没有一个独立系统的气象表现文件，这对于气象表现的三维可视化发展非常不利。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是：如何构建一个系统的基于三维表现的气象表现文件，以便简单快捷的，有效率的，直观的展示气象信息。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统，包括：

天气数据获取模块，天气数据参数化模块，三维植被模型模块，三维模型渲染模块，输出模块；

天气数据获取模块用于获取指定地区的天气数据，所述天气数据包括季节、温度、风力、风向、雨量、露量、霜量、雪量；

天气数据参数化模块将天气数据获取模块获取的天气数据进行参数化处理，并将参数化的天气数据传输给三维模型渲染模块，即将季节、温度、风力、风向、雨量、露量、霜量、雪量的气象值进行数据类型的转换或通过公式计算转换为着色器中需要的数据类型或中转计算数据，并将这些参数组合为参数字符串，传递给三维模型渲染模块；

三维植被模型模块包含由三维建模软件建立的至少一个三维植被模型及其相应的纹理贴图，并负责将三维植被模型和相应的纹理贴图导入到三维模型渲染模块中；

三维模型渲染模块包含三维引擎，三维引擎包含着色器；三维引擎将所述三维植被模型置于天空下或者大地上形成具体的三维场景；着色器内包含参数解析函数，颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数、光照计算函数；参数解析函数接收并解析天气数据参数化模块传来的参数字符串，并将解析出来的参数赋值给颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数相应的参数。三维模型渲染模块4获取材质对象，并将材质对象应用于导入的三维植被模型上；着色器在参数化的天气数据下对三维植被模型进行顶点和像素表现的计算和映射，从而获得不同季节下不同的植被颜色表现，不同风力风向下不同的植被摆动大小和摆动方向，不同雨量下不同的植被水滴表现，不同露量下不同的植被水滴表现，不同霜量下不同的植被霜表现，不同雪量下不同的植被雪表现，上述所有气象效果最终进行混合计算，用以表现不同气象条件下植被的不同表现。

输出模块用于将经三维模型渲染模块渲染的三维场景输出至显示屏，人们就可以通过观察三维场景下，三维植被模型的动态表现，感知各种气象信息，更加符合人们日常生活中对气象信息的直观的感知习惯。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明提供的基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统，只需要用同一个着色器对同一个三维植被模型进行处理，就可以展示不同的季节，不同的风力风向，不同的雨、雪、霜、露及温度等各种天气信息，系统构造简单，运行效率高，极大的提高了气象工作者的工作效率，且通过三维模型进行展示，更加直观、形象。

同时，本发明通过三维植被模型在不同气象条件下的表现来反映不同的气象状况，也更加符合日常生活中人们对气象信息的感知习惯，甚至可以跨越文字语言的障碍，使得不懂文字的老人小孩，或者不懂汉语中文的外国人也都可以准确的接收到传递的气象信息。

本发明的基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统在上述基础之上，还可以做如下改进：

进一步的，所述天气数据获取模块实时获取天气数据，所述天气数据参数化模块实时进行参数化处理及传送，所述三维模型渲染模块根据实时的天气数据进行实时动态渲染，从而实现实时渲染动态改变，更加实时、真实、形象生动等优点。

采取上述进一步方案的有益效果是：

通过对天气数据的实时渲染动态改变，在天气数据发生变化的时候，所述三维植被模型会及时表现出相应的变化，相比以往通过修改为二维贴图、程序后台手动修改不同着色器来改变三维模型表现，具有实时、真实、形象生动等优点。

进一步的，所述三维模型渲染模块中的着色器是使用通用着色器语言CG、GLSL、HLSL之一编辑。

采取以上进一步方案的有益效果是：

通用的着色器语言调整起来灵活方便，扩展性强，能够针对不同的应用场景，对算法稍加修改，即可实现不同的效果，如雨量增大，水滴沿草叶叶脉流下等效果。

本发明还公开了一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真方法，具体步骤如下：

S1开始；

S2获取指定地区的天气数据，天气数据包括：季节、温度、风力、风向、雨量、露量、霜量、雪量；

S3将天气数据参数化处理为参数字符串，将步骤S2中获取的天气数据的气象值进行数据类型的转换或通过公式计算转换为着色器中所需要的中转计算数据，合并为参数字符串并传递给着色器；

S4将参数字符串传递给着色器；所述着色器为一段程序，着色器内包含颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数、光照计算函数、参数解析函数，参数解析函数将步骤S3传来的参数字符串进行解析，每一个解析出来的参数对应一个独立的着色器变量，即每一个解析出来的参数都会对应颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数相应的函数参数，用解析出来的参数为这些函数相应的参数进行赋值；

S5将三维植被模型及纹理贴图导入三维引擎，所述三维植被模型由第三方建模软件建立，至少一个三维植被模型；

S6三维引擎获取三维植被模型的材质对象；

S7三维引擎对三维场景进行渲染处理，将三维植被模型置入天空或者大地后构成三维场景，三维引擎对三维场景进行渲染，着色器根据参数化的天气数据对三维植被模型进行着色渲染处理，具体的，在不同的季节、温度、风力、风向、雨量、露量、霜量、雪量的影响下，得到不同季节对应的不同的植被颜色，不同风力风向作用下不同的植被摆动幅度和方向，不同雨量影响下的植被水滴表现，不同露量影响下的植被水滴表现，不同霜量影响下的植被霜表现，不同雪量影响下植被雪表现，最终所有气象效果进行混合计算，得到不同气象条件下植被的不同表现。

S8输出渲染结果，将渲染的三维场景输出到显示屏上；

S9结束。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明提供的基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真方法，只需要用同一个着色器对同一个三维植被模型进行处理，就可以展示不同的季节，不同的风力风向，不同的雨、雪、霜、露及温度等各种天气信息，系统构造简单，运行效率高，极大的提高了气象工作者的工作效率，且通过三维模型进行展示，更加直观、形象。

同时，本发明通过三维植被模型在不同气象条件下的表现来反映不同的气象状况，也更加符合日常生活中人们对气象信息的感知习惯，甚至可以跨越文字语言的障碍，使得不懂文字的老人小孩，或者不懂汉语中文的外国人也都可以准确的接收到传递的气象信息。

本发明的基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真方法在上述基础之上，还可以做如下改进：

进一步的，步骤S2获取的天气数据为持续实时获取最新的天气数据，步骤S3中将天气数据实时进行参数化并进行传递，步骤S4中着色器内参数解析函数是实时解析；步骤S7中着色器对三维植被模型的着色渲染处理是根据实时的天气数据进行实时渲染，从而实现实时渲染动态改变。

采用上述进一步措施的有益效果是：

相比以往通过修改为二维贴图、程序后台手动修改不同着色器来改变三维模型表现的做法，具有实时、真实、形象生动等优点。

进一步的，步骤S4着色器由通用着色器语言CG、GLSL、HLSL之一编辑。

采用上述进一步的有益效果是：

通用的着色器语言，灵活方便，扩展性强，能够针对不同的应用场景，对算法稍加修改，即可实现不同的效果，如雨量增大，水滴沿草叶叶脉流下等效果。

附图说明

图1为本发明的基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统的结构框图，附图中各标号所表示的部件名称列表如下：

1—天气数据获取模块。

2—天气数据参数化模块。

3—三维植被模型模块。

4—三维模型渲染模块。

5—输出模块。

图2为本发明的基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

请参照图1所示，其为本发明的基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统的结构框图：

一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统，包括天气数据获取模块1，天气数据参数化模块2，三维植被模型模块3，三维模型渲染模块4，输出模块5；

天气数据获取模块1用于获取指定地区的天气数据，所述天气数据包括季节、温度、风力、风向、雨量、露量、霜量、雪量；

天气数据参数化模块2将天气数据获取模块1获取的天气数据进行参数化处理，并将参数化的天气数据传输给三维模型渲染模块4，即将季节、温度、风力、风向、雨量、露量、霜量、雪量的气象值进行数据类型的转换或通过公式计算转换为着色器中所需要中转计算数据，并将这些参数组合为参数字符串，传递给三维模型渲染模块4；

三维植被模型模块3包含通过3Dmax、MAYA等类似的三维建模软件建立的至少一个三维植被模型及其相应的纹理贴图，并负责将三维植被模型和相应的纹理贴图导入到三维模型渲染模块4中；

三维模型渲染模块4包含三维引擎、三维引擎包含着色器；三维引擎为Unity3D，着色器为Unity Surface Shader，着色器使用CG语言编辑；三维模型渲染模块4通过gameObject.GetComponent<Renderer>().material获取材质对象，将此材质对象应用于导入的三维植被模型上，着色器内包含参数解析函数，颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数、光照计算函数；参数解析函数Shader.SetGlobalFloat()接收并解析天气数据参数化模块2传来的参数字符串，并将解析出来的参数赋值给颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数相应的参数。着色器在此参数化的天气数据的约束下对三维植被模型进行顶点和像素表现的计算和映射，从而获得不同季节下不同的植被颜色表现，不同风力风向下不同的植被摆动大小和摆动方向，不同雨量下不同的植被的水滴表现，不同露量下不同的植被水滴表现，不同霜量下不同的植被霜表现，不同雪量下不同的植被雪表现，上述所有气象效果最终进行混合计算，用以表现不同气象条件下植被的不同表现，比如：

可以通过风向的方向_Direction.xyz影响植被顶点的相对位置VertexPosition：

VertexPosition＝In.vertex.xyz+dis*(sin(time)*cos(time*2/3)+1)*_Direction.xyz；其中In.vertex.xyz为植被模型默认的定点坐标；dis为植被摆动的幅度参数；time为时间参数；

通过雨量大小Rainamount和世界法线的方向worldNormal.y影响贴图效果：

float Rainamount＝saturate(_Rainamount*worldNormal.y)；

o.Albedo*＝lerp(1.0，Rainfactor，Rainamount)；

其中Rainfactor为雨水计算影响因子；Albedo为植被基础贴图叠加计算光照以及雨量之后输出的植被颜色属性。

输出模块5用于将经三维模型渲染模块4渲染的三维植被模型输出至电脑或者手机显示屏上，人们就可以通过观察三维植被模型的动态表现，感知各种气象信息，更加符合人们日常生活中对气象信息的直观的感知习惯。

所述天气数据获取模块1设置为实时获取天气数据，所述天气数据参数化模块2实时进行参数化处理及传送，所述三维模型渲染模块4根据实时的天气数据进行实时动态渲染，从而更加实时、真实、形象的展示实时气象。

本实施例中，所述三维模型渲染模块4是用通用编程语言CG编程，CG语言是通用的着色器语言，灵活方便，扩展性强，能够针对不同的应用场景，对算法稍加修改，即可实现不同的效果，如雨量增大，水滴沿草叶叶脉流下等效果。

实施例2：

请参照图2所示，其为本发明的基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真方法的流程图，具体步骤包括：

S1开始；

S2获取指定地区的天气数据，天气数据包括：季节、温度、风力、风向、雨量、露量、霜量、雪量；

S3将天气数据参数化处理为参数字符串，将步骤S2中获取的天气数据的气象值进行数据类型的转换或通过公式计算转换为着色器中所需要中转计算数据，合并为参数字符串并传递给着色器；

S4，将参数字符串传递给着色器；所述着色器为一段程序，着色器内包含颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数、光照计算函数、参数解析函数，参数解析函数将步骤S3传来的参数字符串进行解析，每一个解析出来的参数对应一个独立的着色器变量，即每一个解析出来的参数都会对应颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数相应的函数参数，用解析出来的参数为这些函数相应的参数进行赋值；

S5将三维植被模型及纹理贴图导入三维引擎，所述三维植被模型由第三方建模软件如3dmax或者maya建立，至少一个三维植被模型；

S6三维引擎获取三维植被模型的材质对象；

S7三维引擎对三维场景进行渲染处理，将三维植被模型置入天空或者大地后构成三维场景，三维引擎对三维场景进行渲染，着色器根据参数化的天气数据对三维植被模型进行顶点和像素表现的计算和映射，具体的，在不同的季节、温度、风力、风向、雨量、露量、霜量、雪量的影响下，得到不同季节对应的不同的植被颜色，不同风力风向作用下不同的植被摆动幅度和方向，不同雨量影响下的植被水滴表现，不同露量影响下的植被水滴表现，不同霜量影响下的植被霜表现，不同雪量影响下植被雪表现，最终所有气象效果进行混合计算，得到不同气象条件下植被的不同表现，比如：

可以通过风向的方向_Direction.xyz影响植被模型顶点的相对位置—VertexPosition：

VertexPosition＝In.vertex.xyz+dis*(sin(time)*cos(time*2/3)+1)*_Direction.xyz；其中In.vertex.xyz为植被模型默认的顶点坐标；dis为植被摆动的幅度参数；time为时间参数；

通过雨量大小Rainamount和世界法线的方向worldNormal.y影响贴图效果：

float Rainamount＝saturate(_Rainamount*worldNormal.y)；

o.Albedo*＝lerp(1.0，Rainfactor，Rainamount)；

其中Rainfactor为雨水计算影响因子；Albedo为植被基础贴图叠加计算光照以及雨量之后输出的植被颜色属性。

S8输出渲染结果，将渲染得到的三维场景输出到显示屏上；

S9结束。

步骤S2获取的天气数据为持续实时获取最新的天气数据，步骤S3中将天气数据实时进行参数化并进行传递，步骤S4中着色器内参数解析函数是实时解析；步骤S7中着色器对三维植被模型的着色渲染处理是根据实时的天气数据进行实时渲染，从而实现实时渲染动态改变，实时、真实、形象生动的展示实时气象信息。

步骤S4着色器由CG语言编写，CG语言是通用的着色器语言，灵活方便，扩展性强，能够针对不同的应用场景，对算法稍加修改，即可实现不同的效果，如雨量增大，水滴沿草叶叶脉流下等效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统，其特征在于，包括：天气数据获取模块，天气数据参数化模块，三维植被模型模块，三维模型渲染模块，输出模块，其中，

所述天气数据获取模块用于获取指定地区的天气数据；

所述天气数据参数化模块将所述天气数据获取模块获取的天气数据进行参数化处理得到参数字符串；

所述三维植被模型模块包含至少一个三维植被模型及其相应的纹理贴图；

所述三维模型渲染模块包含三维引擎，所述三维引擎包含着色器；所述三维引擎将所述三维植被模型置于天空下或者大地上构成三维场景；所述着色器内包含参数解析函数，颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数、光照计算函数；所述参数解析函数接收并解析所述天气数据参数化模块传来的参数字符串，并将解析出来的参数赋值给所述颜色映射函数、所述纹理映射函数、所述UV计算函数、所述顶点计算函数相应的参数；所述三维模型渲染模块获取材质对象，并将所述材质对象应用于所述三维植被模型上；所述着色器在所述参数字符串的约束下对所述三维植被模型进行顶点和像素表现的计算和映射；

所述输出模块用于将经所述三维模型渲染模块渲染的所述三维场景输出至显示界面。

2.根据权利要求1所述的一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统，其特征在于，所述天气数据获取模块为实时获取天气数据，所述天气数据参数化模块为实时参数化处理，所述三维模型渲染模块为实时渲染。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真系统，其特征在于，所述三维模型渲染模块中的所述着色器采用CG、GLSL、HLSL之一进行编写。

4.一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真方法，其特征在于，步骤如下：

S1开始；

S2获取指定地区的天气数据；

S3将天气数据参数化处理为参数字符串；

S4将参数字符串传递给着色器；

S5将三维植被模型及纹理贴图导入三维引擎；

S6三维引擎获取三维植被模型的材质对象；

S7三维引擎对三维场景进行渲染处理；

S8输出渲染结果；

S9结束；

其中，所述步骤S4中的所述着色器为一段程序，所述着色器内包含颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数、光照计算函数、参数解析函数，所述参数解析函数将所述步骤S3中的所述参数字符串进行解析，用解析出来的参数给所述颜色映射函数、所述纹理映射函数、所述UV计算函数、所述顶点计算函数相应的参数赋值；所述步骤S7三维引擎对三维场景进行渲染处理，所述着色器在所述参数字符串的约束下对所述三维植被模型进行顶点和像素表现的计算和映射。

5.根据权利要求4所述的一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真方法，其特征在于，所述步骤S2获取指定地区的天气数据为实时获取天气数据；所述步骤S3将天气数据参数化处理为参数字符串为实时处理；所述步骤S7三维引擎对三维场景进行渲染处理为实时渲染。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于着色器实时表现气象变化的虚拟仿真方法，其特征在于，所述着色器用CG、GLSL、HLSL之一进行编辑。