CN112132945B - 一种高清云渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高清云渲染方法，首先将真实的云气象数据存储为三维纹理云图像；然后通过视景成像系统将三维纹理云图像分散到训练任务所在的天空场景中；最后对三维纹理云图像进行基于全局光照的体渲染；不断变换视角和天空场景中太阳的位置，得到每个三维纹理云图像的渲染结果。本发明通过三维纹理来描述云的形状，使用光线追踪技术进行云渲染，可体现出随不同观测角度变化的全局光照外观、不同厚度云叠加阴影的效果。

Description

一种高清云渲染方法

技术领域

本发明涉及航空模拟器的视景成像技术领域，具体涉及一种高清云渲染方法。

背景技术

航空模拟器的视景成像系统通常需要对云进行渲染，因为实际的飞行过程中最常见的真实对象是多种不同形态的云，云的形态、颜色、阴影厚度、光泽对飞行员飞行决策起着决定性作用。所以如何模拟出尽可能逼近真实情况的云，是视景成像系统的一个重要任务。

目前的视景成像系统中，常用的云体渲染方式是采用平面贴图和体渲染混合使用的方式，将云数据采用二维平面贴图的形式贴在天空背景中来渲染大片云，平面贴图一般采用的是浮在空中固定高度的透明图层形式。但是这样的渲染方式存在以下缺陷：

传统渲染方案无法正确实现穿云效果中的遮挡和透明度要求，平面贴图中没有三维信息，无法体现飞机穿云的过程，当飞机贴近云的时候，视觉的真实性就会减弱。

另一方面，在采用平面贴图的基础上，即便采用体渲染方式，也不会实现随不同观测角度变化的全局光照，也更无法体现云的厚度，真实性较弱。

发明内容

发明目的：为克服现有技术的缺陷，本发明提出一种高清云渲染方法，通过三维纹理来描述云的形状，使用光线追踪技术进行云渲染。与传统方案不同，本方案可体现出随不同观测角度变化的全局光照外观、不同厚度云叠加阴影效果。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出一种高清云渲染方法，包括步骤：

步骤1、将真实的云气象数据存储为三维纹理云图像；

步骤2、通过视景成像系统将三维纹理云图像分散到训练任务所在的天空场景中；

步骤3、对三维纹理云图像进行基于全局光照的体渲染；

从视点发射一条穿过若干三维纹理云图像的光线，在每一段位于云体内的光线上设置若干一级采样点，每个一级采样点的采样值记为

，然后将所述光线上所有一级采样点的采样值累加后，得到所述视点最终观测到的颜色值；

每个一级采样点向太阳方向发射一条辅助光线，并在辅助光线上设置若干二级采样点；对每个一级采样点，将其发射的辅助光线上所有二级采样点采样得到的不透明度累加后作为相应一级采样点采样得到的不透明度；然后将一级采样点采样到的不透明度累加后作为所述视点最终观测到的不透明度；

最后，根据以下公式计算体渲染结果：

其中，

和

分别为所述光线上第

个一级采样点采样到的颜色和不透明度；

和

是最终显示到屏幕上的颜色和不透明度；

不断变换视角和天空场景中太阳的位置，得到每个三维纹理云图像的渲染结果。

进一步的，所述三维纹理云图像按照RGBA格式存储，其中，四个颜色通道保存分别是:

R:液态水含量，G:固态水含量，B:云滴直径，A:过冷水滴含量。

进一步的，还包括采用光线追踪阴影算法，根据云的厚度来渲染地面上的阴影，具体步骤为：

根据以下步骤判断出云体产生的阴影区域：地面上的每个点X发射指向太阳的阴影光线，如果阴影光线与场景中的云体相交，那么X就处于云体的阴影中；

记X与当前视角光线的交点为

，根据步骤3计算出

然后用

调节地面阴影内X的像素的透明度。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明采用3D纹理技术，可以得到云内任意点的气象信息，与光线追踪技术相结合，可以得到云内任意位置与物理相态一致的全局光照信息，从而能够体现出随不同观测角度变化的全局光照外观、不同厚度云叠加阴影的效果，提高云体逼真度。

附图说明

图1为实施例涉及的全局光照体渲染的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。

应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。

实施例：

本实施例提出一种高清云渲染方法，包括以下步骤：

步骤1：将真实的云气象数据存储为三维纹理云图像；

云气象数据三维体由以立方体为基本单元的三维阵列组成，每个单元称为体元素。当给每一个体元素指定一个标量数值时，所有标量形成个标量场， 体渲染将显示这个标量场的过程。本实施例中采用真实气象数据还原的方式，将云的气象数据信息记录并重站合成，以三维纹理的方式储存。本实施例中，优选将三维纹理云图像按照RGBA格式存储，其中，四个颜色通道保存分别是:

R:液态水含量；

G:固态水含量；

B:云滴直径；

A:过冷水滴含量。

步骤2：通过视景成像系统将三维纹理云图像分散到训练任务所在的天空场景中。本实施例中，优选通过视景系统在运行时将云分散到训练任务所在的天空场景中，并根据风和力场的影响进行移动。

步骤3：对三维纹理云图像进行基于全局光照的体渲染。

本步骤的原理如图1所示，从视点发射一条穿过若干三维纹理云图像的光线，在每一段位于云体内的光线上设置若干一级采样点，每个一级采样点的采样值记为

，然后将所述光线上所有一级采样点的采样值累加后，得到所述视点最终观测到的颜色值；

每个一级采样点向太阳方向发射一条辅助光线，并在辅助光线上设置若干二级采样点；对每个一级采样点，将其发射的辅助光线上所有二级采样点采样得到的不透明度累加后作为相应一级采样点采样得到的不透明度；然后将一级采样点采样到的不透明度累加后作为所述视点最终观测到的不透明度；

最后，根据以下公式计算体渲染结果：

其中，

和

分别为所述光线上第

个一级采样点采样到的颜色和不透明度；

和

是最终显示到屏幕上的颜色和不透明度；

不断变换视角和天空场景中太阳的位置，得到每个三维纹理云图像的渲染结果。

作为上述方案的优选实施方式，本发明还提出采用光线追踪阴影算法，根据云的厚度来渲染地面上的阴影的技术方案，可进一步提高云渲染的真实性，具体步骤为：

根据以下步骤判断出云体产生的阴影区域：地面上的每个点X发射指向太阳的阴影光线，如果阴影光线与场景中的云体相交，那么X就处于云体的阴影中；

记X与当前视角光线的交点为

，根据上述步骤计算出

然后用

调节地面阴影内X的像素的透明度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种高清云渲染方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1、将真实的云气象数据存储为三维纹理云图像；

步骤2、通过视景成像系统将三维纹理云图像分散到训练任务所在的天空场景中；

步骤3、对三维纹理云图像进行基于全局光照的体渲染；

从视点发射一条穿过若干三维纹理云图像的光线，在每一段位于云体内的光线上设置若干一级采样点，每个一级采样点的采样值记为

，然后将所述光线上所有一级采样点的采样值累加后，得到所述视点最终观测到的颜色值；

每个一级采样点向太阳方向发射一条辅助光线，并在辅助光线上设置若干二级采样点；对每个一级采样点，将其发射的辅助光线上所有二级采样点采样得到的不透明度累加后作为相应一级采样点采样得到的不透明度；然后将一级采样点采样到的不透明度累加后作为所述视点最终观测到的不透明度；

最后，根据以下公式计算体渲染结果：

其中，

和

分别为所述光线上第

个一级采样点采样到的颜色和不透明度；

和

是最终显示到屏幕上的颜色和不透明度；

不断变换视角和天空场景中太阳的位置，得到每个三维纹理云图像的渲染结果。

2.根据权利要求1所述的一种高清云渲染方法，其特征在于，所述三维纹理云图像按照RGBA格式存储，其中，四个颜色通道保存分别是:

R:液态水含量，G:固态水含量，B:云滴直径，A:过冷水滴含量。

3.根据权利要求1所述的一种高清云渲染方法，其特征在于，还包括采用光线追踪阴影算法，根据云的厚度来渲染地面上的阴影，具体步骤为：

根据以下步骤判断出云体产生的阴影区域：地面上的每个点X发射指向太阳的阴影光线，如果阴影光线与场景中的云体相交，那么X就处于云体的阴影中；

记X与当前视角光线的交点为

，根据步骤3计算出

然后用

调节地面阴影内X的像素的透明度。

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