题目：非均匀参与介质建模技术的研究与实现

在虚拟现实环境中对复杂的自然现象进行模拟和重现一直是一个非常吸引人同时又具有难度的问题。对动态的烟、雾等无定形物参与介质的建模研究工作主要是基于物理模拟的方法。近年来，基于图像的方法由于具有真实度高、细节保存完整等优点，成为了计算机图形学和视觉领域的研究热点。为了在虚拟环境中逼真的再现动态非均匀参与介质的视觉特征，本文在国家自然科学基金项目“真实物体表面属性建模与绘制技术研究 (60773153)”资助下，研究基于图像的方法来对动态参与介质进行逼真建模，并取得了如下成果： 设计和搭建了一套动态参与介质数据采集系统 BH_SmokeDome。根据动态参与介质自身的光学特征和成像特点，安装了可同步触发的高速相机、光源等设备，并开发了一系列软件工具用于完成采集任务和数据处理工作。 提出了一种基于图像的动态非均匀参与介质体数据重构算法。采用逆向绘制的方法，以模拟成像过程进行绘制得到的图像与采集得到的图像之间的差别作为优化的目标函数，将参与介质体数据重构问题转化为大量未知数的非线性优化问题。针对这一问题的求解，提出了一种 GPU 上的目标函数值和梯度值计算算法，实现了 CPU、 GPU 协同工作的优化算法。针对多帧数据的恢复，提出了一种利用时间相关性来初始化后继帧的初始化算法来提高后继帧的数值优化效率。 实现了一种基于改进的 ray marching 技术的单散射参与介质绘制技术。结合BH_SmokeDome 数据采集系统内的光照特点，对传输方程做了适当简化，得到合理简化后的成像模型。并利用 OpenGL 的着色语言和 alpha 混合功能实现了简化后的成像模型的绘制算法。此外，针对体数据优化重构算法中的梯度计算的并行性特点，实现了一种体数据并行扰动的绘制算法，与 GPU 端的函数梯度计算程序相结合，提高了问题求解的并行性。 基于本文研究的算法，实现了动态参与介质建模工具DPMM。该工具实现了建模和绘制两个部分，具有交互功能，能够控制建模过程和展示建模结果。