CN111563947B - 全球三维云的互动实时体渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全球三维云的互动实时体渲染方法，包括以下步骤：创建用于全球云层渲染的多边形；采用多张预处理的全球实时云图，叠加多层二维、三维Perlin噪声图、Worley噪声图、curl噪声图、blue噪声图以及云层细节噪声图，进行低分辨率的体渲染；使用TAA进行抗锯齿处理并最终渲染到碟状多边形上。本发明可以利用全球实时云图，实现从太空到地面任意视角实时渲染的高度、厚度、形态、光照、分布可控的三维体积云。

Description

全球三维云的互动实时体渲染方法

技术领域

本发明涉及计算机视景仿真技术领域，尤其涉及全球三维云的互动实时体渲染方法。

背景技术

云层是计算机视景仿真技术领域重要的组成部分，也是该领域最复杂的技术问题之一。目前大多数超大范围全球云层实时模拟软件，都是使用全球实时云图以平面图像的方式展现，或加上粒子系统，以Billboard方式展现近处云朵。这些方法都有云图精度不够，无法实时交互、无法表现大面积云层、绘制效率低下，云朵形态失真、光照错误等问题，从而很难展现较为逼真的从太空到地面任意视角的三维云层效果。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出全球三维云的互动实时体渲染方法，本发明。

根据本发明实施例的一种全球三维云的互动实时体渲染方法，包括以下步骤：

步骤1、创建用于全球云层渲染的多边形；

步骤2、采用多张预处理的全球云图，叠加多层二维、三维无缝Perlin噪声、Worley噪声、curl噪声进行低分辨率的体渲染；

步骤3、使用时间性抗锯齿进行抗锯齿处理并最终渲染到碟状多边形上。

优选地，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1、创建用于太空视角全球云层球状多边形模型；

步骤1.2、创建用于渲染近距离云层的碟状多边形模型。

优选地，所述步骤1.1包括以下步骤：

步骤1.1.1、创建用于太空视角全球云层球状多边形模型，采用常规半透明贴图渲染方式，球状模型的偏心率与地球相同，半径比地球多5000-20000m；

步骤1.1.2、在云层下方相同经纬度的地形模型上叠加云图，将上述云图设置成黑色，根据太阳位置对UV进行偏移，实现实时阴影效果。

优选地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、预处理多张全球云图；

步骤2.2、预生成二维、三维无缝Perlin噪声、Worley噪声、curl噪声、blue噪声以及云层细节噪声图；

步骤2.3、将云图和多张噪声图叠加作为全球云层密度值，利用密度值计算屏幕上每个像素的云层密度值；

计算每个像素的每个步长位置朝向光源附近的云层密度得到位置的光照信息并计算云层亮度值；

利用云层密度值和云层亮度值进行体渲染生成低分辨率图像。

优选地，所述步骤2.1包括以下步骤：

步骤2.1.1、创建单通道纹理，每张纹理存放1张全球云图，用于静态展示某一时刻的全球云层；

步骤2.1.2、创建4通道纹理，每2张纹理的8个通道，存放8张全球云图，用于动态连续展示全球云层，并在程序运行时动态替换纹理。

优选地，所述步骤2.2包括以下步骤：

步骤2.2.1、预生成4通道二维无缝云层细节噪声图以及单通道二维无缝blue噪声图，用于第一层细节纹理，两张图配合叠加在全球云图上；

步骤2.2.2、预生成单通道二维无缝云层细节噪声图，用于第二层细节纹理，叠加在第一层细节纹理上；

步骤2.2.3、预生成单通道三维无缝噪声图，其中叠加了三维无缝Perlin噪声、三维无缝Worley噪声，用于形成三维体积云的主体形状以及湍流；

步骤2.2.4、预生成4通道二维无缝curl噪声图，对上述三维无缝噪声图进行扰动，消除视觉重复感。

优选地，所述步骤2.3包括以下步骤：

步骤2.3.1、将步骤2.1.2的全球云图作为底图，将步骤2.2.4的四通道二维无缝云层细节噪声图、单通道二维无缝blue噪声图、单通道二维无缝云层细节噪声图、单通道三维无缝噪声图、4通道二维无缝curl噪声图以一定算法叠加作为三维云层细节图，叠加到底图中生成全球三维云层密度图；

步骤2.3.2、创建低分辨率渲染目标的RTT相机，与主相机的位置和朝向相同且实时更新，使用RayMarching算法从相机位置向每个像素发射射线沿着射线，每隔一段预设的距离对上述全球三维云层密度图进行一次采样，将射线上所有采样结果叠加后作为该像素的云体密度值并转换成该像素的云层综合alpha值；

步骤2.3.3、在每一次密度图采样时，沿着光照来源方向的锥形区域内随机多次采样上述全球三维云层密度图，叠加后计算该点与光照方向上的密度，再利用Beer-Lambert’s law、Powder Effect以及Henyey-Greenstein相位函数来计算该点的光照强度得到直射光颜色值；

步骤2.3.4、在每一次密度图采样时，根据该位置所在的云层上下厚度、云族属性和计算环境光颜色值，并与上述直射光颜色值混合得到该像素的云层综合颜色值，将步骤2.3.2中的云层综合alpha值和云层综合颜色值输出到低分辨率渲染目标纹理上，生成低分辨率图像。

优选地，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、将渲染出的低分辨率图像通过相机抖动和上采样方法扩大成当前帧全分辨率图像；

步骤3.2、将步骤3.1中的当前帧全分辨率图像以一定的比例叠加到上一帧全分辨率图像中，并将上述叠加后的全分辨率图像渲染到碟状多边形上。

优选地，所述步骤3.1包括以下步骤：

步骤3.1.1、将步骤2.3.4中渲染出的低分辨率图像通过上采样方法将图像尺寸扩大一定倍数生成当前帧半分辨率图像；

步骤3.1.2、将步骤3.1.1中半分辨率图像通过相机抖动方法将图像尺寸扩大一定倍数生成当前帧全分辨率图像。

优选地，所述步骤3.2包括将步骤3.1.2中当前帧全分辨率图像以预设的比例叠加到上一帧全分辨率图像中，并将叠加后的全分辨率图像渲染到步骤1.2中的碟状多边形上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)使实时体积云的控制范围扩大到全球：本发明将控制区域扩大至超视距，实现在全球范围内实时控制体积云的各种参数。

(2)使实时体积云的观察视角扩展到太空：本发明可以从海底无缝漫游至太空，相机在云中运动时画面没有突变，全空间全角度观察全球实时动态体积云。

(3)使实时体积云的形貌扩展至所有云族：本发明可以在全球范围内同时展示高云族、中云族、低云族和直展云族，实现全天候全球范围体积云的实时渲染。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提出的全球三维云的互动实时体渲染方法的具体实施流程图；

图2为本发明提出的全球三维云的互动实时体渲染方法的球状多边形模型以及弧面碟状多边形模型示意图；

图3为本发明提出的全球三维云的互动实时体渲染方法的全球云图与二、三维无缝噪声叠加示意图；

图4为本发明提出的全球三维云的互动实时体渲染方法的RayMarching步进算法示意图；

图5为本发明提出的全球三维云的互动实时体渲染方法的太空视角效果图；

图6为本发明提出的全球三维云的互动实时体渲染方法的低空视角部分积云的效果图；

图7为本发明提出的全球三维云的互动实时体渲染方法的地面视角浓积云的效果图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

一种全球三维云的互动实时体渲染方法，包括以下步骤：

步骤1、创建用于全球云层渲染的多边形；

步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1、创建用于太空视角全球云层球状多边形模型；

步骤1.1具体包括以下步骤：

步骤1.1.1、创建用于太空视角全球云层球状多边形模型，采用常规半透明贴图渲染方式，球状模型的偏心率与地球相同，半径比地球多5000-20000m；

步骤1.1.2、在云层下方相同经纬度的地形模型上叠加云图，将上述云图设置成黑色，根据太阳位置对UV进行偏移，实现实时阴影效果。

步骤1.2、创建用于渲染近距离云层的碟状多边形模型。

步骤1.2、在相机当前位置创建一个半径几十公里的弧面碟状多边形模型，用于近距离的体积云渲染。

碟状多边形的上下面是曲率和地球相同的弧面，碟状多边形高度6500m，最低海拔1500m，最高海拔8000m，法线朝内。

步骤2、采用多张预处理的全球云图，叠加多层二维、三维无缝Perlin噪声、Worley噪声、curl噪声进行低分辨率的体渲染；

步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、预处理多张全球云图；

步骤2.1具体包括以下步骤：

步骤2.1.1、创建单通道纹理，每张纹理存放1张全球云图，用于静态展示某一时刻的全球云层；

步骤2.1.2、创建多张4通道纹理，每两张纹理有8个通道，存放8张全球云图，用于动态连续展示全球云层，并在程序运行时动态替换纹理。

步骤2.2、预生成二维、三维无缝Perlin噪声、Worley噪声、curl噪声、blue噪声以及云层细节噪声图；

步骤2.2具体包括以下步骤：

步骤2.2.1、预生成4通道二维无缝云层细节噪声图以及单通道二维无缝blue噪声图，用于第一层细节纹理，两张图配合叠加在全球云图上。

步骤2.2.2、预生成单通道二维无缝云层细节噪声图，用于第二层细节纹理，叠加在第一层细节纹理上。

步骤2.2.3、预生成单通道三维无缝噪声图，其中叠加了三维无缝Perlin噪声、三维无缝Worley噪声，用于形成三维体积云的主体形状以及湍流。

步骤2.2.4、预生成4通道二维无缝curl噪声图，对上述三维无缝噪声图进行扰动，消除视觉重复感。

计算每个像素的每个步长位置朝向光源附近的云层密度得到位置的光照信息并计算云层亮度值；

利用云层密度值和云层亮度值进行体渲染生成低分辨率图像。

步骤2.3、将云图和多张噪声图叠加作为全球云层密度值，利用密度值计算屏幕上每个像素的云层密度值；

步骤2.3具体包括以下步骤：

步骤2.3.1、将步骤2.1.2的全球云图作为底图，将步骤2.2.4的四通道二维无缝云层细节噪声图、单通道二维无缝blue噪声图、单通道二维无缝云层细节噪声图、单通道三维无缝噪声图、4通道二维无缝curl噪声图以一定算法叠加作为三维云层细节图，叠加到底图中生成全球三维云层密度图；

步骤2.3.2、创建低分辨率渲染目标的RTT相机，与主相机的位置和朝向相同且实时更新，使用RayMarching算法从相机位置向每个像素发射射线沿着射线，每隔一段预设的距离对上述全球三维云层密度图进行一次采样，将射线上所有采样结果叠加后作为该像素的云体密度值并转换成该像素的云层综合alpha值；

步骤2.3.3、在每一次密度图采样时，沿着光照来源方向的锥形区域内随机多次采样上述全球三维云层密度图，叠加后计算该点与光照方向上的密度，再利用Beer-Lambert’s law、Powder Effect以及Henyey-Greenstein相位函数来计算该点的光照强度得到直射光颜色值；

步骤2.3.4、在每一次密度图采样时，根据该位置所在的云层上下厚度、云族属性和计算环境光颜色值，并与上述直射光颜色值混合得到该像素的云层综合颜色值，将步骤2.3.2中的云层综合alpha值和云层综合颜色值输出到低分辨率渲染目标纹理上，生成低分辨率图像。

步骤3、使用时间性抗锯齿进行抗锯齿处理并最终渲染到碟状多边形上。

步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、将渲染出的低分辨率图像通过相机抖动和上采样方法扩大成当前帧全分辨率图像；

所述步骤3.1包括以下步骤：

步骤3.1.1、将步骤2.3.4中渲染出的低分辨率图像通过上采样方法将图像尺寸扩大一定倍数生成当前帧半分辨率图像；

将步骤3.1.1中半分辨率图像通过相机抖动方法将图像尺寸扩大一定倍数生成当前帧全分辨率图像，相机抖动幅度根据主相机移动或旋转速度实时调节，上述主相机移动或旋转速度越大，上述相机抖动幅度越小。

步骤3.2、将步骤3.1中的当前帧全分辨率图像以一定的比例叠加到上一帧全分辨率图像中，并将上述叠加后的全分辨率图像渲染到碟状多边形上。

步骤3.2包括将步骤3.1.2中当前帧全分辨率图像以预设的比例叠加到上一帧全分辨率图像中，并将叠加后的全分辨率图像渲染到步骤1.2中的碟状多边形上。

如图1所示总结下了，图中实线代表过程的执行顺序，矩形方框代表流程中的一个步骤，斜平行四边形代表所产生的或者使用的数据。本实施例的过程分为噪声图的预生成和云层的渲染两部分。

噪声图的预生成过程为：预处理全球云图，预生成云层细节噪声图，利用blue噪声图叠加到上述全球云图中。利用三维Perlin噪声、三维Worley噪声预生成三维无缝噪声图并用二维无缝curl噪声图进行扰动，叠加到上述云图中。利用上述云图，生成全球三维云层密度图。

全球三维云层的渲染过程为：创建用于太空视角全球云层渲染的球状多边形，创建用于近距离体积云渲染的碟状多边形，根据主相机位置实时调整碟状多边形位置。创建低分辨率渲染目标的RTT相机，与主相机的位置和朝向相同，且实时更新。使用RayMarching算法，对之前生成的全球三维云层密度图进行采样，生成云层综合alpha值。沿着光源方向采样全球三维云层密度图，得到该像素的云层综合颜色值。将云层综合alpha值和云层综合颜色值输出，生成低分辨率云层图像。使用TAA进行抗锯齿处理并渲染到碟状多边形上，完成一帧的渲染。

实施例1：

S1、创建用于全球云层渲染的多边形；

如图2所示，创建用于太空视角全球云层渲染的球状多边形，以及用于近距离体积云渲染的碟状多边形，图中的C代表主相机的主视角所在位置。

创建一个球状多边形模型，采用常规半透明贴图渲染方式，球状模型的偏心率与地球相同，半径比地球多10000m。在云层下方相同经纬度的地形模型上叠加云图，将上述云图设置成黑色，根据太阳位置对UV进行偏移，实现实时阴影效果。

在相机当前位置创建一个半径几十公里的弧面碟状多边形模型，用于近距离的体积云渲染。上述碟状多边形的上下面是曲率和地球相同的弧面，上述碟状多边形高度6500m，最低海拔1500m，最高海拔8000m，法线朝内。

S2、采用多张预处理的全球云图，叠加多层二维、三维无缝Perlin噪声、Worley噪声、curl噪声进行低分辨率的体渲染；

如图3所示：小图A为4通道纹理，一共8个通道，存放8张全球云图，用于动态连续展示全球云层，并在程序运行时动态替换纹理。小图B为单通道纹理，存放1张全球云图，用于静态展示某一时刻的全球云层。小图C为4通道二维无缝云层细节噪声图，小图D为单通道二维无缝blue噪声图，两张图配合叠加在全球云图上，用于第一层细节纹理。小图E为单通道二维无缝云层细节噪声图，叠加在第一层细节纹理上，用于第二层细节纹理。小图F、小图G为单通道三维无缝噪声图，其中叠加了三维无缝Perlin噪声、三维无缝Worley噪声，用于形成三维体积云的主体形状以及湍流。小图H为4通道二维无缝curl噪声图，对上述三维无缝噪声图进行扰动，消除视觉重复感，生成全球云层密度值。

将上述全球云图作为底图，将上述四通道二维无缝云层细节噪声图、单通道二维无缝blue噪声图、单通道二维无缝云层细节噪声图、2张单通道三维无缝噪声图、4通道二维无缝curl噪声图以一定算法叠加，作为三维云层细节图，叠加到上述底图中，生成全球三维云层密度图。

创建低分辨率渲染目标的RTT相机，与主相机的位置和朝向相同，且实时更新。如图4所示：下方为地球，C为主相机位置，使用RayMarching算法，从C位置向每个像素发射射线，沿着射线，每隔一段距离(步长)，对上述全球三维云层密度图进行一次采样。P1P2、P3P4、P5P6段由于采样密度为0，所以大幅增加步长，P2P3、P4P5段由于采样密度大于0，所以使用最小步长前进。将射线上所有采样结果叠加后，作为该像素的云体密度值，并转换成该像素的云层综合alpha值。

在每一次密度图采样时，沿着光照来源方向的锥形区域内随机多次采样上述全球三维云层密度图。

如图4所示：以图中的P点为例，沿着光照来源方向的锥形区域内随机6次采样，叠加后计算该点与光照方向上的密度，再利用Beer-Lambert’s law、Powder Effect，以及Henyey-Greenstein相位函数来计算该点的光照强度，得到直射光颜色值。

在每一次密度图采样时，根据该位置所在的云层上下厚度，云族属性，计算环境光颜色值，并与上述直射光颜色值混合，得到该像素的云层综合颜色值。将上述云层综合alpha值和云层综合颜色值输出到低分辨率渲染目标纹理上，生成低分辨率图像。

S3、使用时间性抗锯齿进行抗锯齿处理并最终渲染到碟状多边形上；

将渲染出的低分辨率图像通过上采样方法将图像尺寸扩大一倍，生成当前帧半分辨率图像。

将上述当前帧半分辨率图像通过相机抖动方法将图像尺寸再扩大一倍，生成当前帧全分辨率图像，相机抖动幅度根据主相机移动或旋转速度实时调节，上述主相机移动或旋转速度越大，上述相机抖动幅度越小。

将当前帧全分辨率图像以一定的比例叠加到上一帧全分辨率图像中，并将上述叠加后的全分辨率图像渲染到碟状多边形上，上述比例根据主相机移动或旋转速度实时调节。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种全球三维云的互动实时体渲染方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、创建用于全球云层渲染的多边形；

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1、创建用于太空视角全球云层球状多边形模型；

步骤1.2、创建用于渲染近距离云层的碟状多边形模型；

步骤2、采用多张预处理的全球云图，叠加多层二维、三维无缝Perlin噪声、Worley噪声、curl噪声进行低分辨率的体渲染；

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、预处理多张全球云图；

所述步骤2.1包括以下步骤：

步骤2.1.1、预处理单通道纹理，每张纹理存放1张全球云图，用于静态展示某一时刻的全球云层；

步骤2.1.2、创建多张4通道纹理，每2张纹理组成8个通道，存放8张全球云图，用于动态连续展示全球云层，并在程序运行时动态替换纹理；

步骤2.2、预生成二维、三维无缝Perlin噪声、Worley噪声、curl噪声、blue噪声以及云层细节噪声图；

所述步骤2.2包括以下步骤：

步骤2.2.1、预生成4通道二维无缝云层细节噪声图以及单通道二维无缝blue噪声图，用于第一层细节纹理，两种图配合叠加在全球云图上；

步骤2.2.2、预生成单通道二维无缝云层细节噪声图，用于第二层细节纹理，叠加在第一层细节纹理上；

步骤2.2.3、预生成单通道三维无缝噪声图，其中叠加了三维无缝Perlin噪声、三维无缝Worley噪声，用于形成三维体积云的主体形状以及湍流；

步骤2.2.4、预生成4通道二维无缝curl噪声图，对上述三维无缝噪声图进行扰动，消除视觉重复感；

步骤2.3、将云图和多张噪声图叠加作为全球云层密度值，利用密度值计算屏幕上每个像素的云层密度值；

计算每个像素的每个步长位置朝向光源附近的云层密度得到位置的光照信息并计算云层亮度值；

利用云层密度值和云层亮度值进行体渲染生成低分辨率图像；

所述步骤2.3包括以下步骤：

步骤2.3.1、将步骤2.1.2的全球云图作为底图，将步骤2.2.4的四通道二维无缝云层细节噪声图、单通道二维无缝blue噪声图、单通道二维无缝云层细节噪声图、2张单通道三维无缝噪声图、4通道二维无缝curl噪声图以一定算法叠加作为三维云层细节图，叠加到底图中生成全球三维云层密度图；

步骤2.3.2、创建低分辨率渲染目标的RTT相机，与主相机的位置和朝向相同且实时更新，使用RayMarching算法从相机位置向每个像素发射射线沿着射线，每隔一段预设的距离对上述全球三维云层密度图进行一次采样，将射线上所有采样结果叠加后作为该像素的云体密度值并转换成该像素的云层综合alpha值；

步骤2.3.3、在每一次密度图采样时，沿着光照来源方向的锥形区域内随机多次采样上述全球三维云层密度图，叠加后计算该点与光照方向上的密度，再利用Beer-Lambert’slaw、PowderEffect以及Henyey-Greenstein相位函数来计算该点的光照强度得到直射光颜色值；

步骤2.3.4、在每一次密度图采样时，根据该位置所在的云层上下厚度、云族属性和计算环境光颜色值，并与上述直射光颜色值混合得到该像素的云层综合颜色值，将步骤2.3.2中的云层综合alpha值和云层综合颜色值输出到低分辨率渲染目标纹理上，生成低分辨率图像；

步骤3、使用时间性抗锯齿进行抗锯齿处理并最终渲染到碟状多边形上；

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、将渲染出的低分辨率图像通过相机抖动和上采样方法扩大成当前帧全分辨率图像；

所述步骤3.1包括以下步骤：

步骤3.1.1、将步骤2.3.4中渲染出的低分辨率图像通过上采样方法将图像尺寸扩大一定倍数生成当前帧半分辨率图像；

步骤3.1.2、将步骤3.1.1中半分辨率图像通过相机抖动方法将图像尺寸扩大一定倍数生成当前帧全分辨率图像；

步骤3.2、将步骤3.1中的当前帧全分辨率图像以一定的比例叠加到上一帧全分辨率图像中，并将上述叠加后的全分辨率图像渲染到碟状多边形上；

所述步骤3.2包括将步骤3.1.2中当前帧全分辨率图像以预设的比例叠加到上一帧全分辨率图像中，并将叠加后的全分辨率图像渲染到步骤1.2中的碟状多边形上。

2.根据权利要求1所述的全球三维云的互动实时体渲染方法，其特征在于：所述步骤1.1包括以下步骤：

步骤1.1.1、创建用于太空视角全球云层球状多边形模型，采用常规半透明贴图渲染方式，球状模型的偏心率与地球相同，半径比地球多5000-20000m；

步骤1.1.2、在云层下方相同经纬度的地形模型上叠加云图，将上述云图设置成黑色，根据太阳位置对UV进行偏移，实现实时阴影效果。

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