【摘要】： 火焰模擬仿真與實(shí)時(shí)繪制技術(shù)一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn),也是數(shù)字文化產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù),該技術(shù)在影視動(dòng)漫、交互娛樂、安全仿真等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用前景。在這些應(yīng)用中,不僅要求逼真的火焰仿真結(jié)果,而且需要實(shí)時(shí)的繪制性能。前人在火焰的模擬和繪制等方面也作了很多的工作,但是在繪制的逼真性和實(shí)時(shí)性都還與應(yīng)用存在著一定的差距。本文針對(duì)這些應(yīng)用需求,深入研究了火焰體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)繪制技術(shù),從大規(guī)模三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的處理與表示、基于圖形硬件的加速繪制以及火焰數(shù)據(jù)的逼真繪制三個(gè)角度展開,取得的主要研究成果如下: 一、在大規(guī)模三維體數(shù)據(jù)場(chǎng)的表示與處理方面,提出了一種基于主成分分析的大規(guī)模時(shí)變?nèi)S數(shù)據(jù)場(chǎng)壓縮方法。 三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的表示和處理是進(jìn)行實(shí)時(shí)逼真火焰繪制的前提和基礎(chǔ)。對(duì)于流體力學(xué)的仿真數(shù)據(jù),一方面其數(shù)據(jù)規(guī)模非常大,超出了當(dāng)前圖形硬件的存儲(chǔ)能力,另一方面,該數(shù)據(jù)屬于時(shí)序模擬數(shù)據(jù),在時(shí)間軸上有很強(qiáng)的相關(guān)性。為了便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,我們對(duì)原始的時(shí)序很長(zhǎng)的體數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行均勻分段,并利用主成分分析方法對(duì)數(shù)據(jù)幀之間的相關(guān)性進(jìn)行壓縮。在基于PCA壓縮的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)體繪制時(shí),充分利用了CPU與圖形硬件的并行工作機(jī)制,當(dāng)GPU對(duì)上一段體數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制時(shí),同時(shí)通過內(nèi)存上傳下一段的壓縮數(shù)據(jù)到圖形硬件。該方法充分利用了內(nèi)存與顯存之間的帶寬,壓縮數(shù)據(jù)的解壓縮時(shí)間復(fù)雜度低,且解壓操作可以在GPU上并行執(zhí)行,充分利用了圖形硬件的并行加速特性。 二、在基于圖形硬件的加速繪制方面,提出了一種基于GPU光線投射算法的體面混合繪制技術(shù)。 煙霧等大規(guī)模體數(shù)據(jù)在虛擬場(chǎng)景中實(shí)時(shí)可視化的技術(shù)是一種新的體面混合繪制技術(shù),在災(zāi)害現(xiàn)象仿真中有著重要的應(yīng)用。在處理體面混合繪制時(shí),已有的繪制算法難以實(shí)時(shí)地處理體數(shù)據(jù)的遮擋和裁剪,并在內(nèi)窺繪制中出現(xiàn)片元空洞,而且在GPU上混合繪制煙霧等災(zāi)害數(shù)據(jù)繪制結(jié)果失真明顯,并且難以通過參數(shù)調(diào)節(jié)減少失真。我們提出一種基于GPU的體面混合繪制算法,將體數(shù)據(jù)視為參與介質(zhì),同時(shí)將面繪制的結(jié)果作為體繪制的積分域約束條件,從而把面繪制中的裁減算法推廣到體數(shù)據(jù)的繪制中,實(shí)現(xiàn)了體面混合繪制的無縫融合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法能夠?qū)崟r(shí)地繪制虛擬場(chǎng)景中的大規(guī)模體數(shù)據(jù),并且能夠處理復(fù)雜的內(nèi)窺效果。 三、針對(duì)火焰體數(shù)據(jù)繪制時(shí)的高動(dòng)態(tài)范圍特性,提出了一種基于GPU的實(shí)時(shí)高動(dòng)態(tài)范圍火焰繪制算法。 火焰數(shù)據(jù)的可視化比其他參與介質(zhì)更加難以繪制的原因在于火焰能夠發(fā)射光線,而且其發(fā)射光線的光亮度范圍超出計(jì)算機(jī)顯示器所能夠表示的色階范圍,難以用傳統(tǒng)的低動(dòng)態(tài)范圍繪制算法對(duì)其進(jìn)行繪制。本文方法基于物理光學(xué)和輻射度學(xué),將火焰的溫度場(chǎng)作為數(shù)據(jù)源,充分利用GPU的離屏繪制能力,將火焰繪制成為一張高動(dòng)態(tài)范圍圖片,然后采用GPU將圖片進(jìn)行色調(diào)映射變成低動(dòng)態(tài)范圍圖片,最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)火焰的實(shí)時(shí)逼真繪制。
【圖文】：

模擬的方法和基于流體力學(xué)的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)體繪制方法。在本章中，我們了不同的火焰模擬與繪制方法在國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，然后介紹了基于流擬的火焰和煙霧模擬方法。我們的火焰繪制主要是針對(duì)流體力學(xué)模擬數(shù)數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化技術(shù)，針對(duì)流體力學(xué)模擬的火焰可視化，分析了三維數(shù)據(jù)方法以及在體繪制中大規(guī)模數(shù)據(jù)場(chǎng)壓縮的相關(guān)工作。2.1基于動(dòng)態(tài)紋理的火焰基于動(dòng)態(tài)紋理的火焰模擬方法最初由hakagels】在1989年提出，其映射技術(shù)，在繪制表面上得點(diǎn)時(shí)，利用其紋理坐標(biāo)對(duì)紋理圖像進(jìn)行采樣的像素顏色，當(dāng)時(shí)間變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的紋理圖像也隨著改變，從而模擬出果和運(yùn)動(dòng)的技術(shù)。該方法把火焰紋理圖按照順序在程序初始化時(shí)讀入，按照順序綁定紋理圖像，周而復(fù)始就形成了火焰的動(dòng)態(tài)效果。

和顏色等一些屬性用于模擬火焰。除此外，粒子使用速度來描述隨著時(shí)間變化粒子在系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)，粒子的生存時(shí)間用于描述粒子在產(chǎn)生后，經(jīng)過多少時(shí)間之后消亡。使用粒子系統(tǒng)模擬火焰的如圖2.2。圖2.2基于粒子系統(tǒng)的火焰模擬粒子系統(tǒng)在圖形學(xué)中被廣泛使用，主要用來模擬火焰煙霧特效以及一些自然現(xiàn)象�；诹Ｗ酉到y(tǒng)的火焰模擬具有以下的特性:粒子是比多邊形更加簡(jiǎn)單的圖元，因此，使用粒子系統(tǒng)來模擬可以在相同的模擬效率限制下使用更多的粒子得到更加復(fù)雜的火焰模擬效果。由于粒子系統(tǒng)的一組屬性可以完全由其模擬的具體物體來決定，因此其使用靈活，，在火焰模擬中可以模擬各種形狀各異的火焰。粒子系統(tǒng)通常使用的圖元很多，因此在生成復(fù)雜火焰的動(dòng)態(tài)效果中需8
【學(xué)位授予單位】：首都師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TP391.41

【相似文獻(xiàn)】

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1 徐華兵;基于GPU的火焰實(shí)時(shí)體繪制技術(shù)研究[D];首都師范大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2586186