● 摘要
云是大气作用的产物，是天空中常见的自然景象。逼真的三维云模拟能够提高虚拟环境的真实感，增加用户在虚拟环境中漫游时的沉浸感。近年来，随着计算机技术的发展和虚拟现实、交互仿真技术的兴起，尤其是可编程图形硬件的出现和发展，三维云在影视科技、游戏动漫、军事仿真等领域得到了广泛的应用，高逼真、可穿越、形状可控、大规模、实时性成为了人们对三维云模拟的新要求。 本文基于国家十一五863课题“支持移动终端的多人协同虚拟环境及开发工具研究”以及“大气海洋环境虚拟现实软件”的支撑与要求，对基于物理的三维云建模及大规模三维云实时绘制两方面的工作开展了相关研究，并把取得的研究成果加入到了实际应用中。 为了满足虚拟现实应用中对云高逼真的要求，本文从大气流体力学的角度模拟了云的动态生成过程，通过采取半拉格朗日法求解Navier-Stokes方程实现了三维云的建模。为了生成用户期望形状的三维云，本文根据用户在屏幕上绘制的二维期望曲线，生成对应的三维目标形状来控制云的动态生成过程，研究并实现了一个可控形状的三维云建模工具。 虚拟环境场景复杂，云只是其中的一部分。三维云粒子数目多，大规模的渲染需要巨大的时间开销，严重影响了虚拟环境的实时仿真。针对目前相关算法存在的问题和应用要求，本文开展了相关研究工作，实现了虚拟环境中大规模三维云的实时绘制。预处理阶段，针对三维云粒子数目多的问题，本文提出了一种模型化简算法，在保证效果的前提下，大大减少了三维云模型粒子数。运行阶段，本文提出了一种基于Cell的大规模三维云调度算法，结合Impostor技术自动混合绘制三维云与Impostor，实现了大规模三维云的实时模拟。 最后，本文在以上研究工作的基础上，实现了基于物理的大规模三维云建模与绘制，并应用到大气海洋环境虚拟现实仿真系统中，通过对系统的测试和实验结果表明，本文基于物理的方法模拟云，同时在绘制阶段根据视点的移动实时更新，效果逼真；与同类方法相比，基于Cell的调度策略更新时计算量更小，有效地避免了调度更新时常见的抖动和跳变问题。