CN1156797C - 在虚拟环境多因素影响下生成逼真光照效果的方法 - Google Patents

Abstract

在虚拟环境多因素影响下生成逼真光照效果的方法包括收集整合真实的气象、地理、水文等数据，合成虚拟自然环境，用树形结构存储的地形细节层次表示合成自然环境的地形块和其相应的层次细节、匹配特征采样点并计算过渡集合模型，对虚拟环境中的集合对象进行局部三维变形，平滑过渡地形模型中相邻的层次细节间的切换，对气象模型涉及的气象因素排序，实时估算某一离散时间段气象因素的动态变化，把天空分成球形层次，描绘合成自然环境中不同大气状况下的环境光变化并生成近地层的环境光照效果，定义合成自然环境中的光照层次并进行光照层次间的切换，生成合成自然环境的烟尘，几何计算生成视景步骤。有节约系统资源，减少计算开销和高逼真性等特点。

Description

在虚拟环境多因素影响下生成逼真光照效果的方法

技术领域

本发明属于计算机虚拟现实和计算机图形学技术领域，具体地说是一种在虚拟环境多种因素影响下生成逼真光照效果的方法。

背景技术

人类对客观世界感知的信息有75％-80％来自视觉，在虚拟现实系统生成的视、听、触觉一体化的虚拟环境中，逼真的视景是使用户产生沉浸感的重要因素。视景一般用表面颜色和明暗色调表现对象的几何形状、空间位置和表面特性生成，并且基于光照模型来计算虚拟环境中多种自然和非自然因素对光照效果的影响。所以，虚拟环境中多种因素影响下的光照效果能够影响虚拟现实系统的视景逼真性和虚拟环境真实感。

在真实世界中，光与真实自然场景相互影响后对人眼的刺激作用，使观察者产生该真实自然场景的视觉感知。在虚拟环境中，具有沉浸感的用户所能感受到的逼真光照效果，也是通过光照范围内被照射对象物体在三维视景中的真实感来体现的。所以虚拟环境中多种因素影响下光照效果的生成，不但以光照模型计算为基础，而且以合成自然环境的各种因素影响例如地形地貌，气象，烟尘等为前提。

目前，许多科研工作者致力于该方面的研究。克拉森在美国计算机学会的图形学报上给出一个平面多层大气模型，来简单地模拟环境光的散射作用，但该模型中关于平面天空层的假设减少了环境光的真实感。1993年，尼斯达在美国的计算机图形大会上给出了一个光照模型，该模型首先对大气的近地面层建模，然后计算环境光在大气中的散射作用，最后计算近地层对环境光的作用；1996年他又将该模型加以改进，使其能够支持环境光的多次散射作用。在1999年的美国计算机图形大会上普里斯曼对国际照度委员会的照度模型进行了改进，并通过其给出的实践数据分析方法，生成了地球表面的环境光照效果。但是这些方法主要应用于环境光的可视化计算的研究工作，需要巨大的计算要求和数据预处理，很难直接应用在要求实时运行的虚拟现实系统中。

1997年，美国军方建立了一个包括地形地貌、气象、烟、雾等环境因素的合成自然环境，并基于光电战术辅助决策、全局大气海洋服务和动态虚拟世界模块来实现气象因素对虚拟环境的用户、环境能见度和仿真实体的影响。但该方法没有将合成自然的各个方面有机地结合起来，并且不支持环境因素的动态实时变化，这使得该方法不能够在一般的虚拟现实系统中得到普遍应用。

由于光照模型需要大量的计算开销，当虚拟环境中存在大量的光源时，光照模型的表示和计算就会显得更为重要。在1997年美国的计算机图形大会上，瓦尔特给出了一个漫游系统，其辐射度的计算模型没有考虑光的漫射作用，该方法虽然能够生成简单场景下较少光源产生的光照效果，但其逼真度却有所下降。在1998年美国的计算机图形大会上，欧飞克提出的基于分类虚拟顶点的光照计算方法，能够使交互系统中光反射的实时逼真效果有所增强，但是该方法要求虚拟环境具有很高的计算性能，这不是一般虚拟现实系统所能够具有的，并且当光源的数量增加时，系统不能实时计算这些光源的逼真光照效果。在这次大会上，戴贝维克将生成的视景分为远景、近景与合成对象，结合图形和图象生成技术实时绘制虚拟环境中的光照效果，他这种将光照对象分类的方法虽然能减少一点光照计算的开销，但还是不能保证大量光源在虚拟环境中的实时性能，因为该方法没有改变要求大量计算开销的光照模型本身。

合成自然环境的烟尘也经常影响一定区域内的光照效果。在1982年美国的计算机图形大会上，布林曾根据光的反射函数，提出了一种具有普遍意义的烟云尘土模型，基于Reeves(瑞威斯)粒子系统和Sabella(塞贝拉)自发光粒子的烟尘模型，较好地表示了烟尘的密度分布，但由于计算量较大，这种方法一般仅应用于可视化系统，很难在虚拟环境种生成实时烟尘的效果。最近，在1997年和1999年的美国计算机图形大会上，福斯特等给出包括烟尘在内的热气体运动模型，斯淡姆则利用流体扩散方法生成火焰、烟尘等各种气态对象，但这两种方法需要大量的数据预处理计算，所以一般仅应用于生成烟尘的动画效果，而很难用于计算烟尘在虚拟环境中对各种实体能见度的影响。另一方面，根据美国大气科学实验室为美国军方各种红外武器提供的烟尘实验模型，赛克斯和斯笛芬等为部分弹药爆炸后燃烧源所产生的烟尘提供分析模型，但是该模型中烟尘的释放模块没有保证时间间隔中的烟尘表示具有普遍意义，使近似烟尘的计算存在较大的误差，容易影响虚拟环境的逼真性能，同时该模型的计算开销也使得该方法很难应用到对实时性能要求较高的虚拟环境中。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在虚拟环境多因素影响下生成逼真光照效果的方法。

为完成发明目的，本发明采用的技术方案是：在虚拟环境多因素影响下生成逼真光照效果的方法，该方法包括下述步骤：(1)收集整合真实的气象、地理、水文等数据，合成包括地形模型、气象模型和水文模型的虚拟自然环境；(2)用四叉树结构存储的地形细节层次表示合成自然环境中分块存储的地形块和其相应的层次细节、匹配特征采样点并计算过渡集合模型，对虚拟环境中的几何对象进行局部三维变形，采用以下步骤平滑过渡地形模型中相邻的层次细节间的切换：(2.1)在需平滑的细节层次块中均匀地采样网格区域，并通过网格区域的采样点来建立需平滑细节层次块对应区域之间的对应关系；(2.2)通过移动、添加或删除网格顶点来编辑网格，以建立采样点的匹配；(2.3)通过逆调和映射，建立这一对区域的采样点匹配；(2.4)将需平滑的细节层次块作局部的变形；(3)对气象模型涉及的气象因素排序，实时估算某一离散时间段气象因素的动态变化；(4)把天空分成球形层次，描绘合成自然环境中不同大气状况下的环境光变化，并生成环境光照效果；(5)定义合成自然环境中的光照层次，进行光照层次间的切换，并在合成自然环境中采用四叉树管理光照影响范围内的动态几何对象，其中：所述的定义光源的光照层次是指：光源不在视点的有效观察范围以内时，光源本身不发亮，也不对合成自然环境的任何对象物体产生光照效果，采用无光层次，当光源距视点远时，只有光源本身为可见的亮点，但无法在合成自然环境中观察到光源对其周围对象物体的光照效果，采用点光层次，当光源距视点近时，根据精度要求和光照对象的特点，采用其中一种局部光层次；所述的光照层次间的切换由与几何对象在屏幕上的成像比例有关的临界参数和与光照作用产生的亮度有关的临界参数控制；所述的光照层次切换包括下述步骤；(5.1)计算与几何对象在屏幕上的成像比例有关的临界参数和与光照作用产生的亮度有关的临界参数；(5.2)根据临界参数的取值进行光照层次的升高或降低；(6)生成合成自然环境的烟尘，该烟尘是包括烟尘释放和合并的高斯型近似烟尘，其中：所述的烟尘释放包括以下步骤：(6.1)计算某一燃烧源释放的相邻烟尘间的相似度，根据相似性的强弱将释放烟尘的持续时间周期划分为若干个较小的时间间隔，将密度相似且时间相近的烟尘放在同一时间间隔中；(6.2)沿着烟尘移动的方向，一方面延长某一时间间隔中释放的烟尘的表示时间，另一方面，根据环境因素的影响，限制某一时间间隔中的环境因素波动值超出用户设定初始值的近似烟尘的表示时间；(6.3)均衡相互制约步骤(6.2)的两个方面，求出两个方面时间间隔的平均值为合理时间间隔；所述的烟尘合并包括以下步骤：(6.4)基于存储烟尘位置和尺寸的四叉树或者八叉树，查找匹配可能进行合并的烟尘对；(6.5)当单位空间的烟尘数超过系统给定的上限时，进行该范围内的烟尘合并，产生新的近似烟尘，并使烟尘合并的误差总和不超过系统给定的误差总和上限；(6.6)当两个相似烟尘的合并误差不大于系统给定的上限时，用合并产生的新近似烟尘替代原来的两个烟尘；(7)几何计算生成视景。

步骤(3)所述的气象因素排序是根据气温、气压、气湿、风向、风速、云况和能见度等的一种或几种气象因素之间的因果或主次关系排序。

步骤(4)所述的天空球形层次是根据合成虚拟自然环境中大气混浊度的变化，当大气对比度的比率为0.02时，利用大气能见度和对比度临界值计算具有一定混浊度的大气与地球表面的近似距离，在得到大气的混浊度与距地球表面距离的对应关系基础上构造而成。天空球形层次分为连续的七层，每一层为具有一定厚度的球壳，球壳的厚度与大气层的高度、混浊度以及云层对地形等环境因素的影响成正比。合成自然环境中一天变化和不同大气状况下的环境光变化是根据环境光和各种环境因素的变化，改变多层球形天空模型中各个层次的参数描绘而成，多层球形天空模型中各个层次的参数是混浊度、环境光照度、高度、厚度、明暗度、颜色表等中的一种或几种。

步骤(4)还包括用简化局部区域内平均视线俯仰角来快速生成近地层的环境光照效果，用垂直视线俯仰角的近似表示来计算高空层环境光的衰减。

步骤(5.1)中计算与几何对象在屏幕上的成像比例有关的临界参数的步骤进一步包括：如果合成自然环境中光照层次内的几何对象远离视点，则降低光照层次，减少光照计算开销，如果合成虚拟自然环境中光照层次内的几何对象靠近视点，则升高光照层次，增强光照效果的逼真性。

步骤(5.1)中计算与光照作用产生的亮度有关的临界参数的步骤进一步包括：如果光照范围内的几何对象在光照层次的作用下亮度较低，则降低该光源的光照层次，节约光照计算开销，如果光照范围内的几何对象在光照层次的作用下亮度较高，则升高该光源的光照层次，增强光照效果的逼真性。

本发明与现有的技术相比，其有益的特点是：

1、本发明根据地形分块及其拓扑结构的特性，利用四叉树或八叉树结构在地形块动态变化的过程中计算和管理各个地形块的局部变形与平滑过渡，本发明所提出的局部区域变形，相对全局变形而言其计算开销减少了很多，节约了大量的系统资源。

2、本发明首先根据因果或主次关系对虚拟环境中各种气象因素分类，然后基于这种分类表示，实时估算某离散时间段气象因素的动态变化，这种气象因素的分类表示简化了气象模型的计算，在一定程度上既保证了虚拟现实系统的实时性能，又使合成自然环境与真实自然环境的气象条件十分相似。

3、本发明的多层天空模型中环境光的表示和处理，通过对局部视线俯仰角和垂直角的值域限制，简化了不同空间中的环境光表示，在保留虚拟环境中实时变化的逼真环境光效果的同时，也大大减少了环境光衰减过程中的计算量。

4、本发明中动态多层次的光照表示和处理采用光照层次，这种方法使光源在不同的时空中可以具有不同的表现方式，系统的计算资源只被分配到需要计算的光照模型中，这能够较大幅度地减少系统的计算开销，缓解虚拟环境的逼真性与系统运行的实时性之间的矛盾。

5、本发明的烟尘释放，用物理烟尘计算模型的平均值烟尘代表该时间间隔的近似烟尘，并以此来控制近似烟尘的精度和数量，这使虚拟现实系统能够根据自己的计算能力选择近似烟尘的相似程度，在确保虚拟环境中近似烟尘逼真度的同时，大大减少了烟尘生成和能见度表示的计算开销。

附图说明

图1是本发明的主流程图；

图2是本发明的虚拟环境中合成自然环境的构建过程图；

图3是本发明中基于四叉树的快速局部变形过渡示意图；

图4是本发明中大气混浊度天空模型示意图；

图5基于大气混浊度的多层天空层次模型图

图6是本发明的光照层次定义示意图；

图7本发明中光照层次切换流程图；

图8是本发明中光照层次切换机制的周边和中心区域的亮度差异图；

图9是本发明的烟尘释放流程图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式

参阅图1本发明的主流程图，首先在一定区域内合成虚拟自然环境。合成虚拟自然环境包括地形模型、气象模型和水文模型，如图2所示，合成自然环境的地形模型主要包括地表形状、自然和人造特征物，这又称为文化特征物，如道路、河流、桥梁、建筑物、标记等，其生成步骤是：首先根据系统需求确定模型的位置和范围，采集该区域内适当比例、多种类型的真实地理、气象和水文信息数据作为原始的模型数据，例如真实自然环境的地形高程数据、文化特征数据、气象水文测绘数据和航拍或卫星照片；然后对模型数据进行适当的预处理，如对数据的过滤、简化、格式转换和一致性处理；再生成可供三角化、纹理映射的地理环境数据、文化特征数据、气象网格和各种纹理、图片；之后进行几何表示，将环境数据三角化，给出基本特征物如河流、交通等的三维几何描述；最后将三角网格、几何特征模型与计算网格合成，例如对地形模型，可以建立建筑群体、森林树木、广场公园、桥梁大坝、车站机场等独立文化特征模型，并利用数字化地图提供的几何位置，通过适当的几何变化将它们映射到地形模型的三角网格上。

然后用树形结构存储的地形细节层次表示合成自然环境的地形块及其相应的层次细节。且树形结构存储各种精度的几何表示也是分块存储，树形结构是指四叉树或八叉树。请参阅图3，在相邻LODa(地形层次细节)和LODb切换的过渡过程中，进行局部的三维形状平滑。对于LODb中包含若干三角形的区域LODb0，可以在LODa中找到与其相应的LODa0。将LODb0和LODa0作局部的变形，其它顶点几乎不变，不需要作平滑过渡处理。然后，在LODa0和LODb0中均匀地采样网格区域，并通过网格区域的采样点来建立这一对区域的对应关系。设A₁和B₁为LODa0和LODb0的一对匹配区域，A₂和B₂为它们的四边参数域。先用两个一定分辨率的均匀控制网格分别置于A₂和B₂上。然后通过移动、添加或删除网格顶点来编辑网格，以建立采样点的匹配。最后通过逆调和映射，将采样点分别映射到A₁和B₁上，由此建立这一对区域的采样点匹配。最后，根据LODa0和LODb0的匹配结果，实现这一对区域的形状过渡。

之后将气象模型涉及的气象因素排序。以大气稳定度和风速风向为例，根据各气象因素如气温、气压、气湿、风向、风速、云况和能见度等之间的因果或主次关系将气象模型涉及的气象因素排序。假设存在n个已排序的气象因素A₁，A₂，......，A_n，其t时刻的气象数据为：(A₁，t)，(A₂，t)，.......，(A_n，t)。由1到n依次推算t+1时刻气象因素A_i的变化。首先将n个已排序的气象因素分类，排列在A_i以前的气象因素为第一类，排列在A_i以后的气象因素(包括A_i)为第二类。计算t+1时刻气象因素A_i的变化时，考虑t+1时刻第一类气象因素和t时刻第二类气象因素对A_i的扰动作用：

当i＝1时，(A_i，t+1)＝f((A₁，t)，(A₂，t)，......，(A_n，t))；

当1＜i≤n时，(A_i，t+1)＝f((A₁，t+1)，...，(A_i-1，t+1)，(A_i，t)，...，(A_n，t))。

如图4所示，然后根据合成自然环境中大气混浊度的变化，利用大气能见度和对比度临界值计算具有一定混浊度的大气与地球表面的近似距离，设对比度的比率为0.02，得到大气的混浊度与距地球表面距离的对应关系。在此基础上，在其合成自然环境中构造了一个多层球形天空模型，如图5所示，该模型将其合成环境的天空被分为连续七层，每一层为具有一定厚度的球壳，球壳的厚度由大气层的高度、混浊度以及云层对地形等环境因素的影响成正比，并对环境光效果的作用各不相同。根据环境光和各种环境因素的变化，改变多层球形天空模型中各个层次的参数例如，混浊度、环境光照度、高度、厚度、明暗度、颜色表等，描绘出合成自然环境中一天24小时的变化和晴、多云、阴、多雾等不同大气状况下的环境光变化。

另一方面，利用模型中近地层的特点，根据合成自然环境中地形模型的分块表示，用局部区域内平均视线俯仰角的简化来快速生成近地层的环境光照效果。具体而言，由于地形模型按照一定的规则被分成若干个地形块，可以计算出第i块地形的平均高度 h_i，并存放在该地形块的数据结构中：

h(i，x)＝h₀(i)+xcosθ(i)≈h₀+xcos θ(i)＝ h(i)

其中， θ(i)为h(i，x)＝ h(i)时的视线俯仰角。由指数定律，在地形块i中到达观察者眼睛的散射光为：

$I_{\mathrm{scatter}}={\∫}_0^s{I}_x^0(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\mathrm{\ρ}\left(i\right)\left[\exp (-{\∫}_0^x{\mathrm{\β}}^0\mathrm{\ρ}\left(i\right)\mathrm{dy})\right]\mathrm{dx}$

其中ρ(i)＝e^{-α h(i)} 。当视线方向存在m个地形块时。此时到达观察者眼睛的散射光为：

$I_{\mathrm{scatter}}=\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{s_i}^{s_{j+1}}{I}_x^0(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\mathrm{\ρ}\left(i\right)\left[\exp (-{\∫}_{s_i}^{s_{i+1}}{\mathrm{\β}}^0\mathrm{\ρ}\left(i\right)\mathrm{dy})\right]\mathrm{dx}$

其中0＝s₁≤s₂…≤s_m＝s。

同时，用垂直视线俯仰角的近似表示来减少高空层环境光的衰减计算。假设云层由若干小云块组成，由于视点也在高空层的大气中，不妨设视点平视，则θ≈90°，所以有：

$\mathrm{\ρ}\left(x\right)=e^{-\mathrm{\α}(h_0+x\cos \mathrm{\θ})}=e^{-{\mathrm{\αh}}_0}=e^{-{\mathrm{\αh}}_z}$

其中h_z为视点所在的高度。同样假设视线方向上第i块小云块的平均高度为h(i)，所以在云块i中到达观察者眼睛的散射光为：

$I_{\mathrm{scatter}}={\∫}_{s_i}^{s_i}{I}_x^0(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\mathrm{\ρ}\left(i\right)\left[\exp (-{\∫}_{s_i}^{s_{i+1}}{\mathrm{\β}}^0\mathrm{\ρ}\left(i\right)\mathrm{dy})\right]\mathrm{dx}$

其中ρ(i)＝e^-αh(i)。当视线方向存在n个有效云块时，此时到达观察者眼睛的散射光为：

$I_{\mathrm{scatter}}=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{s_i}^{s_{i+1}}{I}_x^0(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\mathrm{\ρ}\left(i\right)\left[\exp (-{\∫}_{s_i}^{s_{i+1}}{\mathrm{\β}}^0\mathrm{\ρ}\left(i\right)\mathrm{dy})\right]\mathrm{dx}$

其中0＝s₁≤s₂…≤s_m＝s。

再定义系统中各光源的光照层次，使其中的光源在合成自然环境的不同相对时空中表现出不同水平的光照效果。请参阅图6，光源具有环境光层次、局部光层次、点光层次和无光层次，其中局部光层次又因采用不同的光照算法而具有若干个不同的局部光层次。

如下表光照层次表所示，光源不在视点的有效观察范围以内时，光源本身不发亮，也不对合成自然环境的任何对象物体产生光照效果，采用无光层次；当光源距视点比较遥远，只有光源本身为可见的亮点，但无法在合成自然环境中观察到光源对其周围对象物体的光照效果，采用点光层次；当光源距视点比较近时，根据精度要求和光照对象的特点，采用其中某一种局部光层次。

光源位置	光照层次
		不在视点有效范围以内	无光层次
距视点比较遥远	点光层次
		距视点比较近	第n个局部光层次
	
		距视点最近	第1个局部光层次
无穷远处(无损耗)	环境光层次

请参阅图7，本发明用两个临界参数控制光照层次间的切换，一个是与几何对象在屏幕上的成像比例有关的临界参数η₁，另一个是与光照作用产生的亮度有关的临界参数η₂。光照层次切换的具体步骤为：1、计算其临界参数η₁和η₂；2、根据临界参数的取值决定是否变换光照层次。

为了更准确地说明问题，给一些定义：L(q)＝{l₁，l₂，…，l_k}为某一光源q在合成自然环境中可能表现出的所有光照层次LOL构成的集合为，L(q)为非空有序集，l_i为光照层次。相同合成自然环境中，当1≤i＜j≤k，时，有l_i＜l_j，光照层次l_j作用下用户视觉感知的逼真程度高于光照层次l_i。称光源q用l_j替代l_i为“升高”光照层次，用l_i替代l_j为“降低”光照层次。系统运行的某一时刻，光源q在合成自然环境中表现的光照层次为l_i∈L(q)，i＝1，2，…，k。定义Θⁱ为Ω_l ⁱ在合成自然环境中的光照范围，Ω_l ⁱ为由Θⁱ中所有几何对象的线段组成的集合{F₁ ⁱ，F₂ ⁱ，...，F_s ⁱ},Ω₂ ⁱ为由Θⁱ中所有几何对象的三角形组成的集合{T₁ ⁱ，T₂ ⁱ，...，T_e ⁱ}。称 Fⁱ为具有Ω_l ⁱ中平均线段长度且位于Θⁱ中心位置的“平均线段”，F_max ⁱ为Ω_l ⁱ中线段长度最大的线段，F_min ⁱ为Ω_l ⁱ中线段长度最小的线段。给定一个光照层次l_i∈L(q)，定义ε_f ⁱ为线段集Ω_l ⁱ中最长线段F_max ⁱ在屏幕上投影长度的下限临界值，δ_f ⁱ为线段集Ω_l ⁱ中最短线段F_min ⁱ在屏幕上投影长度的上限临界值， ε_i ^f、 δ_i ^f为线段集Ω_l ⁱ中“平均线段”   Fⁱ在屏幕上投影长度的下限和上限临界值。定义ε_T ⁱ为Θⁱ的中心较亮区域中极大亮度的下限临界值，δ_T ⁱ为Θⁱ的周边较暗区域中极小亮度的上限临界值， ε_T ⁱ、 δ_T ⁱ为Θⁱ的中心较亮区域中平均亮度和周边较暗区域中平均亮度的下限和上限临界值。定义η₁为与合成自然环境中几何对象在屏幕上的成像比例有关的临界参数，η₂为与合成自然环境中光照作用产生的亮度有关的临界参数，η为控制是否改变光源所表现的光照层次的最终参数。η₁、η₂、η的值域均为{-1，0，1}，并且η的取值由η₁和η₂决定。设某一时刻光源q在合成自然环境中表现的光照层次为l_i∈L(q)，当η＝-1且1＜i时，将光源q所表现的光照层次l_i改为l_i-1；当η＝0时，光源q所表现的光照层次不变；当η＝1且i＜k时，将光源q所表现的光照层次l_i改为l_i+1。在光源q开始采用光照层次l_i的同时，η₁、η₂、η的初始值均为0。

计算临界参数η₁。假设某一系统时刻光源q在合成自然环境中表现的光照层次为l_i∈L(q)，F∈Ω_l ⁱ。不妨设合成自然环境的线段F与屏幕所在平面M平行并且线段中心和视点的连线与屏幕平面垂直。F在屏幕上的成像是长度为f的线段，为透视视角，D为用户的视点到线段F中心的距离，d为线段F中心到M的距离。首先计算出线段F在M上的投影长度f：

假设屏幕平面M上单位长度对应ρ个像素，则线段F对应的像素个数ξ为：

随距离D的改变ξ也发生变化。当ξ增加或减少到某一程度时，认为合成自然环境的线段F在屏幕上的投影对视景的重要程度发生变化，从而范围Θⁱ内的光照效果也同时变化。计算光照层次的临界参数η₁(η₁的初始值为0)，其计算步骤是：1、计算与Ω_l ⁱ中F_max ⁱ对应的像素个数ξ_max ⁱ，当 ${\mathrm{\&xi;}}_{\max }^i<{\mathrm{\&epsiv;}}_f^i$ 时，η₁＝-1，则合成虚拟自然环境中光照层次内的几何对象远离视点，考虑降低光照层次，减少光照计算开销。2、计算与Ω_l ⁱ中F_min ⁱ对应的像素个数ξ_min ⁱ，当 ${\mathrm{\&xi;}}_{\min }^i>{\mathrm{\&delta;}}_f^i$ 时，η₁＝1，则合成自然环境中光照层次内的几何对象靠近视点，考虑升高光照层次，增强光照效果的逼真性。3、如果前面的计算没有改变η₁的取值，进一步计算与Ω_l ⁱ中 Fⁱ对应的像素个数 ξⁱ。当 ${\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&xi;}}}^i<{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_f^i$ 时，η₁＝-1，则合成自然环境中光照层次内的几何对象远离视点，考虑降低光照层次，减少光照计算开销。4、当 ${\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&xi;}}}^i>{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&delta;}}}_f^i$ 时，η₁＝1，则合成自然环境中光照层次内的几何对象靠近视点，考虑升高光照层次，增强光照效果的逼真性。5、否则，η₁的取值保持不变。

计算临界参数η₂。某一系统时刻，合成自然环境中光照层次l_i的影响范围Θⁱ为圆锥形，在合成自然环境的地平面上形成了一个圆形的光照区域。请参阅图8，假设半径为R的圆为l_i的光照区域，半径为r(r→0)的小圆为距该光源最近的区域。设R中存在半径为r₁(r₁→r)和半径为r₂(r₂→R)的两个圆，且r＜r₁＜r₂＜R。称r₁的圆弧附近为中心较亮区域，r₂的圆弧附近为周边较暗区域。在中心区域取n个被r₁的圆弧穿过的三角形T_j ^i，1(1≤j≤n)，在周边区域取m个被r₂的圆弧穿过的三角形T_j ^i，2(1≤j≤m)，且T_j ^i，1，T_j ^i，2∈Ω₂ ⁱ。计算它们在光照层次l_i作用下的亮度X_j ^i，1和X_j ^i，2、亮度极值X_max ^i，1和X_min ^i，2、平均亮度值 X^i，1和 X^i，2：

$X_{\max }^{i,1}\&GreaterEqual;X_j^{i,1},1\&le;j\&le;n;$

$X_{\min }^{i,2}\&le;X_j^{i,2},1\&le;j\&le;m;$

${\stackrel{\&OverBar;}{X}}^{i,1}=\frac{1}{n}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{X}_j^{i,1};$

${\stackrel{\&OverBar;}{X}}^{i,2}=\frac{1}{m}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{X}_j^{i,2}$

随视点与合成自然环境状态的变化，范围Θⁱ内的光照效果也发生变化。计算光照层次的临界参数η₂(η₂的初始值为0)，主要步骤有：1、当 $X_{\max }^{i,1}<{\mathrm{\&epsiv;}}_T^i$ 或者 ${\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{i,1}<{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_T^i$ 时，η₂＝-1，则光照范围内的几何对象在l_i的作用下亮度较低，考虑降低该光源的光照层次，节约光照计算开销。2、当 $X_{\min }^{i,2}>{\mathrm{\&delta;}}_T^i$ 或者 ${\stackrel{\&OverBar;}{X}}^{i,2}>{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&delta;}}}_T^i$ 时，η₂＝1，则光照范围内的几何对象在l_i的作用下亮度较高，考虑升高该光源的光照层次，增强光照效果的逼真性。3、否则，η₂的取值保持不变。

由临界参数η₁和η₂的取值，给出多种改变光照层次的方法，步骤是：1、如果系统计算能力较强并更强调光照效果的逼真性，则：当η₁＝1或η₂＝1时，有η＝1，如果i＜k，将光源q所表现的光照层次l_i改为l_i+1。当η₁＝-1且η₂＝-1时，有η＝-1，如果1＜i，将光源q所表现的光照层次l_i改为l_i-1。否则η＝0。2、如果系统更强调实时性能，则：当η₁＝1且η₂＝1时，有η＝1，如果i＜k，将光源q所表现的光照层次l_i改为l_i+1。当η₁＝-1或η₂＝-1时，有η＝-1，如果1＜i，将光源q所表现的光照层次l_i改为l_i-1。否则η＝0。

最后合成自然环境的烟尘。请参阅图9，在合成虚拟自然环境的烟尘生成过程中，多精度近似烟尘的离散释放主要包括以下四个步骤：1、计算某一燃烧源释放的相邻烟尘间的相似度，根据相似性的强弱将释放烟尘的持续时间周期划分为若干个小的时间间隔，时间间隔的长度可以不同。也就是根据系统的具体要求，将密度相似且时间相近的烟尘放在同一时间间隔中。2、沿着烟尘移动的方向，一方面尽量延长某一近似烟尘的表示时间，调整相应的时间间隔，使得燃烧源在该时间间隔中释放的烟尘具有一定的连续性，并减少了密度表示和轨迹推算的计算开销。另一方面，根据环境因素的影响，适当限制某些近似烟尘的表示时间，调整相应的时间间隔，避免由于忽视风向等因素而产生不真实的烟尘效果。也就是当该时间间隔中的环境因素波动值超出用户自己设定的初始值时，要缩短该时间间隔。3、均衡相互制约的步骤2的两个方面，找到一个合理的时间间隔，一般是取步骤2这两个方面的平均值，使释放的近似烟尘既有较好的连续性，又能受环境因素的影响。

具体来说，在调整某时间间隔以前，根据二分法从连续释放烟尘的燃烧源中均匀抽样该时间间隔中n个不同时刻释放的烟尘。由于时间间隔较小，假设烟尘的传播方向为直线，沿通过烟尘中心的线段比较它们的密度分布情况，如图8所示。假设c_i和σ_i分别为烟尘i的中心密度值和密度衰减系数， c和 σ分别为n个烟尘的平均中心密度值和平均密度衰减系数：

$\stackrel{\&OverBar;}{c}=\frac{1}{n}\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_i,\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&sigma;}}=\frac{1}{n}\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&sigma;}}_i$

对于最小密度衰减系数σ_min，计算偏差θ_σ ^min：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&sigma;}}^{\min }=\mathrm{Variation}\{\stackrel{\&OverBar;}{c}*\exp \left(\frac{-{(x-x_{\mathrm{center}})}^2}{{{2\mathrm{\&sigma;}}_{\min }}^2}\right)-\stackrel{\&OverBar;}{c}*\exp \left(\frac{-{(x-x_{\mathrm{center}})}^2}{{2\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&sigma;}}}^2}\right)\}$

给定一个偏差上限ε₀，如果 ${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&sigma;}}^{\min }\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_0,$ 令释放烟尘σ_min的时刻为t_σ ^min。否则，调整时间间隔排除该烟尘，并继续计算余下的n-1个烟尘中密度衰减系数最小的烟尘与 σ之间的偏差。用类似的方法可以求出t_σ ^max，不妨设 $t_{\mathrm{\&sigma;}}^{\min }\&le;t_{\mathrm{\&sigma;}}^{\max },$ 则调整后的时间间隔为[t_σ ^min，t_σ ^max]最坏的可能就是n个烟尘在调整后的不同时间间隔中，但是偏差下界ε₀的取值能避免这种情况的出现。设β_i为权值，计算调整后的时间间隔中每一个烟尘被选中的可能性：

_i＝β₀｜σ_i- σ｜+β_i|c_i- c｜

其中_i值最小的烟尘就是调整后的时间间隔[t_σ ^min，t_σ ^max]所释放的近似烟尘。

另一方面，烟尘合并的步骤主要有：1、基于存储烟尘位置和尺寸的四叉树或者八叉树，根据最近原则查找匹配可能进行合并的烟尘对。2、当单位空间的烟尘数超过系统给定的上限N_max时，强制进行该范围内的烟尘合并产生新的近似烟尘，且尽量保证烟尘合并的误差总和不超过系统给定的误差总和上限δ₀。3、当两个十分相似烟尘的合并误差不大于系统给定的上限ε₁时，用合并产生的新近似烟尘替代原来的两个烟尘。

具体来说，用烟尘数最大上限N_max、误差总和上限δ₀、合并误差上限ε₁作为控制合并程度的临界值。假设烟尘1和烟尘2合并后生成了新的近似烟尘12，则近似烟尘12在第γ+1次合并后的误差为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{12}^{\mathrm{\&gamma;}+1}=\mathrm{Dist}\{f_{12}^{\mathrm{\&gamma;}+1}-\underset{\mathrm{1,2}}{\mathrm{\&Sigma;}}{f}_i^{\mathrm{\&gamma;}}\}$

其中f_i ^γ是烟尘i在第γ次合并后的密度分布。由于1或2可能也是由合并而生成的近似烟尘，从而必须进一步考虑生成1或2的过程中产生的误差。为了减少系统开销，估算烟尘合并的误差上界，作为合并是否合理的一个衡量标准。根据欧几里德几何空间的三角不等式，烟尘合并后的误差上界为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{12}^{\mathrm{\&gamma;}+1}\&le;\sqrt{\&Integral;[f_{12}^{\mathrm{\&gamma;}+1}\left(v\right)-(f_1^{\mathrm{\&gamma;}}\left(v\right)+f_2^{\mathrm{\&gamma;}}\left(v\right)){]}^2\&CenterDot;\mathrm{dv}}+{\mathrm{\&epsiv;}}_1^{\mathrm{\&gamma;}}+{\mathrm{\&epsiv;}}_2^{\mathrm{\&gamma;}}$

如果烟尘i(i＝1，2)为原始烟尘，γ＝0，则ε_i ^γ＝0；否则，在合并生成近似烟尘i时，保存i的误差ε_i ^γ，并用它来估算生成近似烟尘12时的误差上界。根据实验平台的计算能力和虚拟环境的要求，计算能控制近似烟尘精度的临界值，生成该平台中对实时性能影响较小、具有一定精度的近似烟尘。并估算出该近似烟尘在合成自然环境中的可信度、对光照效果的衰减作用。

Claims (8)

1.在虚拟环境多因素影响下生成逼真光照效果的方法，其特征在于该方法包括下述步骤：

(1)收集整合真实的气象、地理、水文数据，合成包括地形模型、气象模型和水文模型的虚拟自然环境；

(2)用四叉树结构存储的地形细节层次表示合成自然环境中分块存储的地形块和其相应的层次细节、匹配特征采样点并计算过渡集合模型，对虚拟环境中的几何对象进行局部三维变形，采用以下步骤平滑过渡地形模型中相邻的层次细节间的切换：

(2.1)在需平滑的细节层次块中均匀地采样网格区域，并通过网格区域的采样点来建立需平滑细节层次块对应区域之间的对应关系；

(2.2)通过移动、添加或删除网格顶点来编辑网格，以建立采样点的匹配；

(2.3)通过逆调和映射，建立这一对区域的采样点匹配；

(2.4)将需平滑的细节层次块作局部的变形；

(3)对气象模型涉及的气象因素排序，实时估算某一离散时间段气象因素的动态变化；

(4)把天空分成球形层次，描绘合成自然环境中不同大气状况下的环境光变化，并生成环境光照效果；

(5)定义合成自然环境中的光照层次，进行光照层次间的切换，并在合成自然环境中采用四叉树管理光照影响范围内的动态几何对象，其中：

所述的定义光源的光照层次是指：光源不在视点的有效观察范围以内时，光源本身不发亮，也不对合成自然环境的任何对象物体产生光照效果，采用无光层次，当光源距视点远时，只有光源本身为可见的亮点，但无法在合成自然环境中观察到光源对其周围对象物体的光照效果，采用点光层次，当光源距视点近时，根据精度要求和光照对象的特点，采用其中一种局部光层次；

所述的光照层次间的切换由与几何对象在屏幕上的成像比例有关的临界参数和与光照作用产生的亮度有关的临界参数控制；

所述的光照层次切换包括下述步骤：

(5.1)计算与几何对象在屏幕上的成像比例有关的临界参数和与光照作用产生的亮度有关的临界参数；

(5.2)根据临界参数的取值进行光照层次的升高或降低；

(6)生成合成自然环境的烟尘，该烟尘是包括烟尘释放和合并的高斯型近似烟尘，其中：

所述的烟尘释放包括以下步骤：

(6.1)计算某一燃烧源释放的相邻烟尘间的相似度，根据相似性的强弱将释放烟尘的持续时间周期划分为若干个较小的时间间隔，将密度相似且时间相近的烟尘放在同一时间间隔中；

(6.2)沿着烟尘移动的方向，一方面延长某一时间间隔中释放的烟尘的表示时间，另一方面，根据环境因素的影响，限制某一时间间隔中的环境因素波动值超出用户设定初始值的近似烟尘的表示时间；

(6.3)均衡相互制约步骤(6.2)的两个方面，求出两个方面时间间隔的平均值为合理时间间隔；

所述的烟尘合并包括以下步骤：

(6.4)基于存储烟尘位置和尺寸的四叉树或者八叉树，查找匹配可能进行合并的烟尘对；

(6.5)当单位空间的烟尘数超过系统给定的上限时，进行该范围内的烟尘合并，产生新的近似烟尘，并使烟尘合并的误差总和不超过系统给定的误差总和上限；

(6.6)当两个相似烟尘的合并误差不大于系统给定的上限时，用合并产生的新近似烟尘替代原来的两个烟尘；

(7)几何计算生成视景。

2.根据权利要求1所述的在虚拟环境多因素影响下尘成逼真光照效果的方法，其特征在于：步骤(3)所述的气象因素排序是根据气温、气压、气湿、风向、风速、云况和能见度的一种或几种气象因素之间的因果或主次关系排序。

3.根据权利要求1所述的在虚拟环境多因素影响下生成逼真光照效果的方法，其特征在于：步骤(4)所述的天空球形层次是根据合成虚拟自然环境中大气混浊度的变化，当大气对比度的比率为0.02时，利用大气能见度和对比度临界值计算具有一定混浊度的大气与地球表面的近似距离，在得到大气的混浊度与距地球表面距离的对应关系基础上构造而成。

4.根据权利要求3所述的在虚拟环境多因素影响下生成逼真光照效果的方法，其特征在于：天空球形层次分为连续的七层，每一层为具有一定厚度的球壳，球壳的厚度与大气层的高度、混浊度以及云层对地形等环境因素的影响成正比。

5.根据权利要求3所述的在虚拟环境多因素影响下生成逼真光照效果的方法，其特征在于：合成自然环境中一天变化和不同大气状况下的环境光变化是根据环境光和各种环境因素的变化，改变多层球形天空模型中各个层次的参数描绘而成，多层球形天空模型中各个层次的参数是混浊度、环境光照度、高度、厚度、明暗度、颜色表等中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的在虚拟环境多因素影响下生成逼真光照效果的方法，其特征在于：步骤(4)还包括用简化局部区域内平均视线俯仰角来快速生成近地层的环境光照效果，用垂直视线俯仰角的近似表示来计算高空层环境光的衰减。

7.根据权利要求1所述的在虚拟环境多因素影响下生成逼真光照效果的方法，其特征在于：步骤(5.1)中计算与几何对象在屏幕上的成像比例有关的临界参数的步骤进一步包括：如果合成自然环境中光照层次内的几何对象远离视点，则降低光照层次，减少光照计算开销，如果合成虚拟自然环境中光照层次内的几何对象靠近视点，则升高光照层次，增强光照效果的逼真性。

8.根据权利要求1所述的在虚拟环境多因素影响下生成逼真光照效果的方法，其特征在于：步骤(5.1)中计算与光照作用产生的亮度有关的临界参数的步骤进一步包括：如果光照范围内的几何对象在光照层次的作用下亮度较低，则降低该光源的光照层次，节约光照计算开销，如果光照范围内的几何对象在光照层次的作用下亮度较高，则升高该光源的光照层次，增强光照效果的逼真性。

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