[发明专利]大规模真实感体积云的实时渲染方法

说明书

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)