基于深度网格的大规模森林场景的动态模拟

为了降低大规模森林场景的数据量和较真实地模拟其在风力作用下的动态效果,提出一种完全基于GPU的森林场景动态模拟方法.首先采用一种基于深度图像并重建几何的方法对树模型进行优化,在优化后的模型中内建了多个层次细节,并进行有效的压缩;然后采用随机过程的方法对风场建模,用简化的过程式方法计算风力作用下树的位移和形变.实验结果表明,该方法可以实现以8 MB存储空间和85 MB显存空间为代价、实时模拟数量高达10万棵的大规模森林场景在风场作用下的动态效果,且模拟效果好、质量高.     

风场作用下动态草地场景的建模与绘制

为真实地模拟草在风中摇曳的动态效果,从结构动力学角度将风场视为具有时间和空间相关性的随机过程,利用线性自回归过滤器的方法生成给定条件的风速矢量场,进而运用动力学中有限元分析的方法实时计算风力作用下草的不同部分的受力和形变。在上述基础上,采用基于L系统和基于图像的表示方法对近处的草模型进行参数化建模,并用星形的结构建立远处草体的模型,以便加速场景视点相关的绘制。综合上述算法并结合GPU的可编程功能,可以实时模拟风场作用下草地的动态效果,且真实感比较强。     

一种风场作用下粒子系统火焰的动态模拟

为了真实地模拟火焰在风中摇曳的动态效果,提出一种新的风场作用下粒子系统火焰的动态模拟方法。该方法将风场视为一个包含全域和区域两种类型风场的随机风场,利用Perlin噪音函数生成给定条件下的风速矢量场;进而通过风场影响范围的判定,采用动力学方程实时计算风力作用下火焰粒子的速度和位置,最终实现不同风场作用下火焰的动态模拟。实验结果表明,该方法不仅能绘制出风场中火焰随风摇曳的逼真效果,同时对模拟的实时性有很好的支持。     

风场作用下大规模真实感草地模拟

大规模草地场景的建模及实时绘制很难满足草体的逼真性以及实时性。针对以上问题,文中提出了在风场作用下基于GPU加速的大规模草地场景动态模拟方法。为真实地绘制大规模草地场景的动态效果,利用基于布告板的改进方法,建立了运算简单、草体茂盛效果真实的草体模型;同时,文中针对草体随风摆动的视觉效果设计出相应的数学模型,并利用可编程GPU对场景进行视觉效果优化。实验表明,该方法不仅能够绘制出大规模草体的逼真效果,同时对风场作用的实时变化有很好的支持。     

飘雪场景的实时模拟

自然景物的真实感模拟一直是计算机图形学中的一个富有挑战性的课题，而飘雪场景的实时模拟尤为困难。因为它涉及到复杂的风场建模和风雪的交互作用．在充分考虑风雪具体物理特性的基础上，通过对经典Boltzmann 方程进行离散来构造三维风场，并根据风雪的交互作用规律，建立起雪的飘动、沉积、侵蚀等变化规则，进一步采用一系列简化和加速绘制的方法，具有真实感地实时绘制出不同风速下不同降雪量的风雪场景．     

基于虚拟现实技术的林区交互系统研究与实现

林木场景复杂的地理地形特点和林木本身复杂的结构,使得基于林木场景的实时虚拟交互漫游在可视化的基础上对系统提出了更高的要求.在针对问题研究的基础上,提出了一种基于软件实现的林区虚拟交瓦系统的设计方法,即利用三维建模软件3ds max来进行三维视景模拟,采用虚拟交瓦平台软件Virtools进行场景驱动.通过利用软件自带的一些功能和应用技巧,可以最大限度发挥软件的优化作用来解决真实感与实时交瓦的矛盾.介绍了系统实现的框架和技术流程,并对实现过程中的场景建模技术、交互设计中的图形化设计方法以及场景优化技术做了深入阐述.经过鹫峰林区的应用,验证方法可行.     

基于物理的台风建模与绘制

研究台风风场的规律并进行真实感仿真对于灾害预防、评估及宣传等有着十分重要的意义。首先从台风的物理特性出发,建立了不对称的3维台风风场,可以得到不同情况下台风的强度和风速变化;然后根据卫星云图的干区移动来预测台风移动路径;进一步模拟台风风场与物体的交互作用,实现了台风风场的3D可视化仿真预测和动态台风场景的实时绘制,得到了逼真的仿真效果。     

基于动态纹理技术的实时森林绘制

研究实时绘制森林动态场景问题,由于森林形状复杂,实时性差,针对风力作用下的大规模森林动态场景,提出图像变形方法和动态纹理技术的森林绘制方法。使用二维图像变形技术实现树木图像在风力作用下的变形;通过将树木变形结果预计算为复合纹理,减少渲染时计算量;在实时渲染过程中,根据当前风力,选择最相近的纹理内容,通过使用动态纹理技术实时更新至Billboard;并结合顶点偏移法一起实现树木模型在风力作用下的动态运动;为加速绘制效率,利用图形硬件加速复合纹理的选择和Billboard的顶点计算。对于上万株规模的动态森林场景,通过改进方法可以实现实时绘制。     

基于游戏引擎的三维虚拟漫游系统实现

三维虚拟环境漫游是虚拟现实技术应用的基本方向之一,具有重要的研究意义与应用价值。基于成熟的游戏引擎技术,提出一个具有较强通用性和可扩展性的三维虚拟漫游系统开发框架,并从3D场景快速构建、3D场景实时绘制、高级视觉特效生成和基于物理的场景模拟等四个方面详细介绍了该框架的关键技术实现。通过对系统原型的测试表明,采用该开发框架所构建的三维虚拟漫游系统可在一般的普通主流PC机上达到较好的性能和表现效果。     

3d游戏场景中实时火焰的探究

在3d游戏场景中有效模拟实时火焰主要应用真实感图形学知识以及粒子系统方法,文中详细讨论了如何进行动态火焰有效模拟,通过对火焰粒子速度以及动态效果进行建模以及对火焰颜色变化等情况进行建模来实现实时火焰有效模拟,利用关键帧技术以及自定义粒子发射器实现3d游戏场景中实时火焰的有效模拟.     

多风格融合的复杂森林场景自适应可视化

为了保证森林场景可视化时的真实感,同时保持动态森林场景生成时间的恒定性,本文提出了一种多风格融合的复杂森林场景自适应可视化方法。该方法利用基于视距的模型分布函数来控制树木模型的分布比例,从而建立多风格融合的森林可视化模型;在此基础上,根据复杂森林场景中树木生长模型的计算时间、三维树木绘制时间的估算结果,以及树木的视觉重要性,确定生成森林场景的最佳方案。该方法能够使复杂动态森林场景的生成时间保持较好的稳定性,并且在可视化过程中根据仿真效果动态调整绘制策略。为了验证该方法的有效性和实用性,在动态生长的森林仿真场景中对本文的方法进行了实验和应用。应用结果表明,多风格融合的森林场景自适应可视化方法能在保证森林场景可视化真实感的基础上,有效地提升复杂森林场景的绘制速度,使森林场景的快速漫游具有更好的稳定性和流畅性。     

森林场景可视化和林火模拟仿真技术研究综述

森林是生态环境系统的重要组成部分。随着气候变暖,恶劣气候气象条件造成全球森林火灾频繁发生,给国民经济和消防救援带来巨大挑战,森林火灾已成为全球主要的自然灾害。因此,森林场景可视化建模、3维场景仿真、林火模拟仿真、火场复现、预测和灾害评估成为林业虚拟仿真研究热点。本文对树木形态结构建模技术、森林场景大规模重建和实时渲染、森林场景可视化、林火模型和林火模拟仿真等前沿技术和算法进行综述。对相关的林木、植被的形态结构表达和真实感可视化建模方法进行归纳分类,并对不同可视化方法的算法优劣、复杂度、实时渲染效率和适用场景进行讨论。基于规则的林木建模方法和基于林分特征的真实场景重建方法对大规模森林场景重建技术进行分类,基于物理模型、经验模型和半经验模型对森林火灾的林火模型、单木林火、多木林火模拟和蔓延进行总结,对影响林火蔓延的不同环境气象因子（如地形地貌、湿度、可燃物等）和森林分布对林火发生、扩散和蔓延的影响进行分析,对不同算法的优劣进行对比、分析和讨论,对森林场景可视化和林火模拟仿真技术未来的发展方向、存在问题和挑战进行展望。本文为基于森林真实场景的森林火灾模拟仿真和数字孪生沉浸式互动模拟系统的构建提供了理论方法基础,该平台可以实现森林场景快速构建、不同火源林火模拟、火场蔓延模拟仿真以及不同气象影响条件的火场预测,可对森林火场救援指挥、火场灾害评估和火场复原提供可视化决策支持。     

Realistic animation of interactive trees

We present a mathematical model for animating trees realistically by taking into account the influence of natural frequencies and damping ratios. To create realistic motion of branches, we choose three basic mode shapes from the modal analysis of a curved beam, and combine them with a driven harmonic oscillator to approximate Lissajous curve which is observed in pull-and-release test of real trees. The forced vibration of trees is animated by utilizing local coordinate transformation before applying the forced vibration model of curved beams. In addition, we assume petioles are flexible to create natural motion of leaves. A wind field is generated by three-dimensional 1/f ^β noises to interact with the trees. Besides, our animation model allows users to interactively manipulate trees. We demonstrate several examples to show the realistic motion of interactive trees without using pre-computation or GPU acceleration. Various motions of trees can be achieved by choosing different combinations of natural frequencies and damping ratios according to tree species and seasons.     

数据驱动的大规模森林场景真实感动画

提出一种基于数据驱动的大规模森林场景真实感动画的实现方案.该方案预先对单株样本树在风力作用下的运动作高精度的动力学计算,得到高分辨率、精确的树骨架形变序列;然后采用分簇主元分析方法对形变序列数据进行压缩与简化,构建单株树各枝干运动的细节层次;最后基于多株样本树多个细节层次的运动数据合成大规模森林的群体运动.实验结果表明:该方案实现了力学形变数据的高效重用,在森林动画合成效率和真实感上具有一定的优势,能满足对规模和画质要求较高的应用,如影视动画与媒体广告等的需求.     

面向WEB的三维场景交互仿真技术研究

面向Web的三维仿真技术以其良好的沉浸性、交互性和构想性成为当前研究的热点。用3ds Max构建虚拟场景和运动单元,在Virtools引擎中进行模块封装、数据处理和交互控制,实现了手自一体漫游、季节变化、视景特效及各种实体的动态效果,并通过优化开发引擎的碰撞检测机制、扩展LOD技术及有效融合模拟光影算法,在实际项目中,使构建的虚拟系统在占用较少网络资源的情况下,更具真实感。     

虚拟现实在多目标水下作业中的应用

基于软件平台Vega和Creator软件开发出多目标水下作业的视景仿真系统。文中详细描述了开发本仿真系统的意义、硬件系统的组成、系统软件的选择、模型的建立、虚拟海洋环境的生成，以及软件系统的设计与实现。仿真结果表明，该系统能逼真地演示出多目标水下作业的整个过程，能实现从多个视角有效地观察整个水下作业过程中各个物体的运动情况，并且满足不同情况下的仿真需要。该文最终建立一个基于水下作业的多目标动态的视景仿真系统，生成三维视景效果场景，做出视景仿真管理界面。     

森林动态演替现象的可视化模拟

由于自然环境、资源竞争、生长繁衍等因素的影响,森林中树木的空间分布格局不断发生着变化。本文基于森林生态学的相关理论,对森林的这种动态演替现象进行了研究和模拟。我们采用一种二维分布图的形式来着重展现森林演替过程中的自然稀疏、多树种演替和聚集生长三种重要的变化规律,并以此为基础,通过迭代推演的方式实现了森林景观动态演替过程的可视化模拟。模拟计算过程中,为了加速迭代推演过程中最耗时的树木相交测试,本文还提出一种“扩展边界的四叉树”方法,提高了计算效率。本文在生成森林初始分布信息时参考了有关森林空间数据的概念,能够生成符合林业上树木胸径分布的森林数据。本文技术方法不仅可应用于影视动画、虚拟现实等领域,而且在林业科学研究与应用上也具有潜在的应用价值。     

Real-time snowing simulation

A snowing scene has a unique fascination for people due to its incomparable beauty. However, little work has been presented on the real-time generation of a dynamic snowing scene, partially due to the difficulty that the simulation of a dynamic snowing process involves the complex modeling of the wind field and the interaction between wind and snow. In this paper, by fully considering the physical characteristics of wind and snow, we construct a three-dimensional wind field based on the discrete form of the Boltzmann equation. According to the interaction laws between wind and snow, we simulate the falling of snow, deposition and erosion in 3D space. Experimental results show that realistic wind-driven snow scenes under different speeds of wind with different amounts of snowfall can be rendered in real-time.