锂铅实验回路仿真系统中高质量渲染方法研究

摘要

随着计算机图形学的发展，虚拟现实技术的应用越来越广泛。锂铅实验回路是研究聚变堆液态金属锂铅包层的重要实验平台。回路中含有大量的管道，为方便观察实验过程，需要对管道进行透明处理，以及模拟液态金属锂铅的外观。目前一些能渲染出照片级真实感的算法往往需要大量的计算，在普通的计算机上无法实时渲染。因此，本文基于锂铅实验回路仿真系统研究既满足实时性要求又具有较强真实感的高质量渲染方法，主要内容包括：　　(1)改进的alpha混合透明渲染方法：Alpha混合方法在固定图形渲染流水线中被广泛用于渲染透明物体，由于在固定渲染流水线中alpha混合使用统一的混合因子，且不能随意修改导致整个场景的透明性一致与真实情况不符，所以渲染结果的真实感较弱。本文利用现代可编程GPU，动态调整alpha混合因子，即根据模型表面特性为每个顶点赋予不同的alpha混合因子，以增强渲染结果的真实感。alpha混合因子调整策略依据以下事实：透明物体轮廓的不透明性比中间区域大以及在含有光照的情况下光线直射的区域会更透明。　　(2)基于辉光特效的流体展示：粒子系统是迄今为止模拟不规则物体最为成功的一种图形生成算法，因此本文选择粒子系统模拟流体效果。辉光是由光的散射引起的现象，可以使场景中的物体更加的明亮。为了增强流体外观展示效果，本文利用可编程GPU再现辉光特效，并添加到流体中，使流体的外观产生明亮炫丽的效果，使得渲染结果更逼真。　　(3)应用于锂铅实验回路仿真系统：锂铅实验回路仿真系统可以提高实验平台的效率。将本文研究方法应用到锂铅实验回路仿真系统中，通过透明管道可观察到内部金属液态锂铅，在满足了实时性要求的前提下取得了良好的展示效果。

目录

文摘

英文文摘

致谢

图表目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 锂铅实验回路

1.1.2 高质量渲染技术

1.2 相关研究

1.2.1 透明渲染方法

1.2.2 流体模拟方法

1.3 研究内容及论文结构

1.4 本章小结

第二章 相关技术

2.1 固定渲染流水线

2.2 可编程图形硬件和Cg

2.2.1 GPU的发展

2.2.2 可编程流水线

2.2.3 Cg语言

2.3 Ogre图形渲染引擎

2.3.1 Ogre概述

2.3.2 Ogre场景管理

2.4 本章小结

第三章 基于GPU的实时透明渲染

3.1 实时图形渲染流水线

3.2 基于alpha混合的透明渲染方法

3.2.1 Alpha 混合算法

3.2.2 Alpha混合的缺陷

3.3 改进的alpha混合透明渲染方法

3.3.1 轮廓不透明

3.3.2 含有光照的透明效果

3.3.3 带有光照的轮廓不透明

3.4 本章小结

第四章 基于辉光特效的流体展示

4.1 粒子系统概述

4.2 粒子系统的基本模型

4.2.1 粒子的产生

4.2.2 粒子的初始化

4.2.3 粒子的运动轨迹

4.2.4 粒子的消亡

4.2.5 粒子的绘制

4.3 流体模拟实验

4.4 实时辉光特效

4.4.1 辉光的技术原理

4.4.2 辉光效果的实现

4.5 带有辉光的流体外观

4.6 本章小结

第五章 应用实例

5.1 数字锂铅回路仿真系统

5.1.1 系统架构

5.1.2 主要功能

5.2 实验结果分析

5.2.1 轮廓不透明

5.2.2 管道流体外观展示

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

硕士期间发表论文

硕士研究生在读期间参加的科研工作

硕士研究生在读期间获得的荣誉