基于GPU和粒子系统的动态云实时模拟

摘要

近年来，3D游戏、虚拟视觉和动漫产业发展迅猛，各种场景模拟技术层出不穷。这其中，自然景物仿真因建模过程复杂，画面渲染难度大，一直是计算机图形学领域的研究热点。云是自然景观中最常见一种风景，关于云的仿真技术层出不穷。但是云层变化多端，色彩也千变万化，如何选择合适的模型对其进行建模以及提高绘制效率一直是云仿真技术的关键。
　　本文主要从云的形成机理入手，基于粒子系统对云进行建模。在所有基于物理过程建模的计算机仿真中，当仿真规模扩大时，仿真的效率一直是难以解决的问题。针对这一问题，本文的系统建模和逻辑控制在CPU段，而将属性计算和画面渲染等耗时操作放在GPU中，利用GPU的并行计算能力加速绘制，达到了很好的效果。
　　本文利用OpenGL技术和粒子系统思想，对天空中的积云进行了建模。本文将云当做不可压缩流体，使用Navier-Stokes方程描述其运动规律。为了在GPU中编写程序加速方程的各项求解，本文利用有限差分法中的交错网络将求解域离散化，用Jacobi迭代法逼近压力Poisson方程，有效地提高了系统的仿真效率。为了渲染画面的真实感，本文综合单次散射和多次散射光照模型用来模拟了云的光照效果，并使用Impostor技术对绘制进行了加速。最终，本文利用Visual Studio2013平台，基于粒子系统和GPU技术，实现了云的动态仿真。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2．1 基于物理过程的云模拟技术

1．2．2 基于启发式方法的云模拟技术

1．2．3 基于粒子系统的建模技术

1．3 研究目的和主要研究内容

1．4 论文组织结构

第二章 相关技术

2．1 粒子系统

2．1．1 粒子系统基本理论

2．1．2 粒子系统的形式描述

2．1．3 粒子系统的基本模型

2．2 OpenGL技术

2．2．1 OpenGL简介

2．2．2 OpenGL渲染管线

2．2．3 OpenGL中的光照

2．3 GPU技术

2．3．1 GPU计算概述

2．3．2 基于可编程GPU的图形流水线

2．3．3 缓存扩展技术

2．3．4 通用并行计算平台

2．4 本章小结

第三章 云模拟的基本原理

3．1 云的形成过程

3．2 云的运动方程

3．2．1 流体运动方程

3．2．2 理想气体和位温

3．2．3 浮力

3．2．4 气体垂直递减率

3．2．5 饱和与相对湿度

3．2．6 水连续性方程

3．2．7 热力学方程

3．3 云的光照模型

3．3．1 相位函数

3．3．2 单次散射光照模型

3．3．3 多次散射光照模型

3．4 本章小结

第四章 云运动模型的求解

4．1 基于物理的流体动画描述方法

4．1．1 流体描述的三种方法

4．1．2 三种描述方法的比较

4．2．2 N-S方程的推导

4．2．3 不可压条件

4．3 N-S方程求解

4．3．1 将流体区域离散化

4．3．2 N-S方程的求解过程

4．4 N-S方程中各项求解与实现

4．4．1 平流项

4．4．2 粘性扩散项和压力项

4．4．3 Jacobi迭代程序

4．4．4 初始条件和边界条件

4．5 本章小结

第五章 基于GPU和粒子系统的云模拟

5．1 云模拟系统架构

5．2 云粒子设计

5．3 云运动模型求解实现

5．3．2 粒子属性的表达与存储

5．3．3 CPU与GPU的数据传输

5．3．4 粒子属性数据的更新

5．3．5 纹理数据到顶点数据的转换

5．3．6 平铺三维纹理

5．4 云的光照模型实现

5．5 云的渲染

5．5．1 Impostor绘制技术

5．5．2 Impostor纹理与粒子云的绘制

5．6 仿真结果

5．6．1 云模拟的开发环境

5．6．2 系统性能

5．6．3 系统仿真效果及分析

5．6．4 效果对比

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作的展望

致谢

参考文献