● 摘要
在自然场景中，云是最为复杂的研究对象之一。云的产生和发展是大气物理状态的变化和能量的转换造成的，云的变化揭示了大气的变化过程，云是地球天气系统中不可或缺的要素。云的逼真模拟在军事仿真、影视娱乐、大气分析和游戏动漫等众多领域，都有着广泛的应用。近年来基于真实数据的三维云模拟方法受到了越来越多的关注，和传统的方法，基于过程的和基于物理的云模拟方法相比其具有真实性和逼真性相结合的优点。
本文来源于国家863课题“动态云数值模拟XXXXX研究”，具体研究基于气象数据，如卫星云图，普通云图，数值模拟数据，进行可控形态云模型和风雨等其他大气现象的表征与建模。本文主要研究基于数值模拟数据，即WRF数据的三维云建模与绘制方法，旨在构建逼真且真实的大规模三维云场。主要研究内容如下。
针对WRF数据分辨率低，难以表征云的精细三维形态的问题，本文提出了一种新的云建模方法。首先需要对WRF数据进行预处理。以WRF数据中的若干参量作为输入，计算得到衰减系数；根据衰减系数的大小对三维网格点上是否含有云进行判定，并对判定结果进行分割，分割得到连续云区域和离散云区域。然后针对连续云区域进行云建模，本文采用粒子系统对云进行建模。对连续云区域进行投影得到上下表面，并对表面的内边界点和外边界点进行区分，以边界点为输入，采用一种改进的边缘跟踪算法，生成边界线；进而采用一种曲面插值算法，计算由边界线所确定的区域内的未知点，生成新的表面；并采用一种圆球拟合和扰动算法对其进一步细化；依据细化后的表面所确定的封闭区域，生成层级粒子，确定区域内粒子的数量、三维坐标和粒子半径三个属性。
绘制阶段主要完成层级粒子的入射光强和出射光强两个属性的计算。WRF数据覆盖范围广，经过预处理和建模过程后，得到的层级粒子数量众多；光线穿过云层射入人眼的过程过于复杂。由于这两方面原因使得在大规模场景下难以达到实时绘制。针对这一问题，本文在保证绘制效果的同时，采用一种简化的光照模型求解粒子的入射出射光强；并引入了基于八叉树的场景组织，视景体裁剪，预存取等方法，以提升粒子的渲染速度。
最后，本文基于上述几个研究内容，实现了一个基于WRF数据的三维云建模与绘制工具。工具的输入为WRF数据，输出为建模得到的云粒子数据以及三维云在不同视角，不同光照条件下的绘制结果。工具实现了WRF数据预处理、连续区域云建模、三维云绘制、地形加载和场景漫游的功能。