大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用姓名：蓋印申請學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)指導(dǎo)教師：遲忠先20050301三絲望！盟鲞皇望壑塑型塹塞量些些（）、，、，”，：；：一大壟堡三查堂堡主堂垡堡莖一一緒論三維概述。三維的定義從不同的角度出發(fā)，有三種定義：（）基于工其箱的定義，認(rèn)為是一個(gè)從現(xiàn)實(shí)世界采集、存貯、轉(zhuǎn)換、顯示空間數(shù)據(jù)的工具集合；陀）數(shù)據(jù)庫定義，認(rèn)為是一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)庫里的大多數(shù)數(shù)據(jù)能被索引和操作，以回答各種各樣的問題；（）基于組織機(jī)構(gòu)的定義，認(rèn)為是一個(gè)功能集合，能夠存貯、檢索、操作和顯示地理數(shù)據(jù)，是一個(gè)集數(shù)據(jù)庫、專家和持續(xù)經(jīng)濟(jì)支持的機(jī)構(gòu)團(tuán)體和組織結(jié)構(gòu)，提供解決環(huán)境問題的各種決策支持。基于工具箱的定義強(qiáng)調(diào)對地理數(shù)據(jù)的各種操作，基于數(shù)據(jù)庫的定義強(qiáng)調(diào)用來處理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)組織的差異，而基于組織的定義強(qiáng)調(diào)機(jī)構(gòu)和人在處理空間信息上的作用，而不是他們需要的工具的作用。認(rèn)為“”主要用來區(qū)分純粹的二維與三維。為區(qū)分三維與現(xiàn)今世界上比較成熟的流行的各種二維商業(yè)，這里傾向于的觀點(diǎn)，認(rèn)為三維是布滿整個(gè)三維空間的。與傳統(tǒng)的基于平面的二維或維明顯不同，尤其體現(xiàn)在空間位置與拓?fù)潢P(guān)系的描述及空間分析的伸展方向上。三維加上對時(shí)間維的處理，即為四維，。三維的研究現(xiàn)狀三維理論和技術(shù)經(jīng)過多年的研究和探索，已取得了很大成果，并且在應(yīng)用要求較為強(qiáng)烈的某些專業(yè)部門，如采礦、地質(zhì)、石油等領(lǐng)域建立些具體系統(tǒng)。但迄今為止仍沒有一套系統(tǒng)完整的理論，沒有成功的通用平臺(tái)，因此在以后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)三維將是發(fā)展的重要研究內(nèi)容。以下從三維數(shù)據(jù)獲取、三維空間數(shù)據(jù)模型、三維拓?fù)潢P(guān)系的描述和表達(dá)、三維可視化和三維空間分析等幾方面評述了三維研究進(jìn)展】。（）三維數(shù)據(jù)的獲取由于理論和技術(shù)水平的限制，三維空間信息的獲取能力相對較弱是阻礙三維發(fā)展的一個(gè)重要原因。一旦能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間信息的實(shí)時(shí)廉價(jià)獲取，三維將會(huì)有更迅三維的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用猛的發(fā)展。目前常用的三維數(shù)據(jù)獲取方法主要有：地形圖和建筑圖紙相結(jié)合的城市三維信息獲取、航空航天遙感、激光掃描儀、混合集成方法、車載移動(dòng)測繪系統(tǒng)。但）三維空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實(shí)世界的一種抽象、歸類及簡化的描述。三維空間數(shù)據(jù)模型是研究三維空問的幾何對象的數(shù)據(jù)組織、操作方法以及規(guī)則約束條件等內(nèi)容的集合。典型的三維空問數(shù)據(jù)的表示方法可以分為體的表示法和邊界面的表示法。常用的體的表示法是將三維空間對象視為體單元的集合，】?，F(xiàn)有的三維空間數(shù)據(jù)模型可以分為基于柵格結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型、基于矢量結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型和混合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型。（）三維窄間關(guān)系捕述和表達(dá)完備和形式化的空間關(guān)系描述與表達(dá)是設(shè)計(jì)空間查詢語言的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)有效空間查詢的前提，同時(shí)也是空間分析的基礎(chǔ)?？諉栮P(guān)系包括度量關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系和方向關(guān)系三類。其中，度量關(guān)系是定量關(guān)系，拓?fù)潢P(guān)系和方向關(guān)系屬于定性關(guān)系，在定量和定性關(guān)系之間可以相互轉(zhuǎn)化。度量關(guān)系指描述目標(biāo)關(guān)系的某種度量空問中的數(shù)值量，如距離。拓?fù)潢P(guān)系，即拓?fù)渥儞Q下的拓?fù)洳蛔兞?，它只考慮空間實(shí)體間的位置關(guān)系，如相鄰、相交?？臻g關(guān)系表達(dá)指存儲(chǔ)和組織空間目標(biāo)問的空間關(guān)系并構(gòu)建相應(yīng)的檢索方法。為了表達(dá)三維空間對象的拓?fù)潢P(guān)系，一些學(xué)者開發(fā)了基于拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)據(jù)模型。（）三維可視化隨著三維圖形硬件芯片的出現(xiàn)和、三維軟件標(biāo)準(zhǔn)的建立，地形三維可視化逐漸由夢想變成了現(xiàn)實(shí)。地形的可視化是以研究數(shù)字地形模型或數(shù)字高程域的顯示、簡化、仿真等內(nèi)容的學(xué)科，它屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)分支。它的應(yīng)用涉及地理信息系統(tǒng)（）、虛擬與現(xiàn)實(shí)（）、戰(zhàn)場環(huán)境仿真、娛樂與游戲、地形的穿越飛行、土地管理與利用、氣象數(shù)據(jù)的可視化等領(lǐng)域。三維可視化是三維的一項(xiàng)基本功能。在建立、維護(hù)和使用三維系統(tǒng)的各個(gè)階段，不論三維對象的輸入、編輯、存儲(chǔ)、管理，還是對它們進(jìn)行操作分析或是輸出結(jié)果，都存在三維對象的幾何建模與三維可視表達(dá)問題。（）三維空間分析的核心是空問數(shù)據(jù)庫、空間查詢和空間分析。三維空間分析，就是真接在三維空間中進(jìn)行空間揉作與分析，并對空間對象進(jìn)行三維表達(dá)與管理。空間分析應(yīng)該是面向用戶的，通過空間分析解決用戶特定的問題，為決策者直接提供決策支持。但是，由于現(xiàn)在三維空剛分析的種類及數(shù)量都很少，只能滿足簡單的編輯、管理、查詢和顯示要求，不能做到?jīng)Q策層次上來。因此，研究開發(fā)的基本空間分析及將各領(lǐng)域的專家，大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文知識(shí)嵌入中，是三維發(fā)展的一個(gè)重要方面。三維空間分析除了包括二維的分析功能外，還應(yīng)包括針對三維空間對象的特殊分析功能，具體包括：空間查詢、空間量測、疊置分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析、地形分析、剖面分析和空間統(tǒng)計(jì)分析。三維在氣象方面的發(fā)展現(xiàn)狀目前在氣象預(yù)報(bào)相關(guān)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，主要包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理、決策支持、多媒體演示、氣象服務(wù)系統(tǒng)、基于的應(yīng)用等。然而，技術(shù)在氣象方面的應(yīng)用只是局限于氣象數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控系統(tǒng)等，可以說，技術(shù)在氣象預(yù)報(bào)相關(guān)領(lǐng)域還沒有得到廣泛的應(yīng)用。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及三維可視化技術(shù)的快速發(fā)展，氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域與之相關(guān)需求也不斷提出。目前幾乎所有的電視天氣預(yù)報(bào)都是通過圖、表、文字、數(shù)字、符號(hào)等信息為觀眾提供近期天氣情況，而沒有將真實(shí)的天氣情況直觀的展現(xiàn)出來。雖然說觀眾已經(jīng)習(xí)慣了這種方式，但是，將天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)用可視化的方式展示給用戶一定會(huì)成為未來發(fā)展的趨勢。同時(shí)隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，也將進(jìn)一步促進(jìn)三維可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等相關(guān)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。；目前三維技術(shù)還沒有被廣泛應(yīng)用于氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域，三維技術(shù)在氣象模擬研究領(lǐng)域僅僅是用來研究的工具。氣象模擬的研究成果被推向應(yīng)用，特別是存在大量地形、地物數(shù)據(jù)的應(yīng)用，主要面臨兩方面的困難：（）天氣現(xiàn)象的三維模擬算法的實(shí)現(xiàn)由于天氣現(xiàn)象受多方面的影響，所以它們是多變的，不易得到規(guī)律的。設(shè)計(jì)有效的算法模擬多變的、沒有穩(wěn)定變化規(guī)律的天氣現(xiàn)象，這是實(shí)現(xiàn)上的首要問題。同時(shí)氣象數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度也很大程度上影響了算法有效的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。雖然目前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)水平得到了迅猛的發(fā)展，但是在算法上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的難度仍然是制約氣象模擬的一個(gè)瓶頸。（）三維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量、計(jì)算量與系統(tǒng)效率、效果之間的矛盾問題對于氣象預(yù)報(bào)應(yīng)用來說，系統(tǒng)不僅有大量的氣象數(shù)據(jù)需要處理和計(jì)算，同時(shí)還有海量的地形數(shù)據(jù)、地物數(shù)據(jù)等。從系統(tǒng)應(yīng)用的角度來說，不僅要將各類天氣現(xiàn)象模擬出來，而且還需要考慮系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大帶來的一系列問題。最近幾年，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的不斷提高，加之天氣現(xiàn)象的三維模擬算法的改迸，氣象模擬研究工作已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，很多研究成果的演示效果都非常逼真。然而這樣的演示效果是有局限性的。首先這些算法設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，計(jì)算最大，單純演示天氣現(xiàn)象就需要極高的計(jì)算機(jī)配置。這些算法往往不能有效的融入到應(yīng)用系統(tǒng)中去，其，三維的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用主要原因就是沒有考慮應(yīng)用自身的其它問題，比如海量地形數(shù)據(jù)、地物數(shù)據(jù)等。也就是說，麗向應(yīng)用的時(shí)候要解決一個(gè)重要的問題：系統(tǒng)效率和演示效果的矛盾。最終實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用既要有好的數(shù)據(jù)建模效率，又要有良好的演示效果。天氣和天氣現(xiàn)象天氣與人們的生產(chǎn)、生活以及軍事活動(dòng)的關(guān)系十分密切。人類預(yù)測天氣的愿望和要求由來已久。起初人們根據(jù)肉眼觀測到的天象、物象來判斷當(dāng)?shù)靥鞖夂蜌夂虻淖兓?。后來人們把長期觀察到的天氣現(xiàn)象與天象、物象問的聯(lián)系，用于預(yù)報(bào)天氣。本章介紹的各種天氣現(xiàn)象的概念和理論均來自文獻(xiàn)【，】。給出天氣和】天氣現(xiàn)象在氣象學(xué)中的概念如下：一天氣是指經(jīng)常不斷變化著的大氣狀態(tài)，既是一定時(shí)惻和空間內(nèi)的大氣狀態(tài)，也是大氣狀態(tài)在一定時(shí)間間隔內(nèi)的連續(xù)變化。所以可以理解為天氣現(xiàn)象和天氣過程的統(tǒng)稱。一天氣現(xiàn)象是指發(fā)生在大氣中的各種自然現(xiàn)象，即某瞬時(shí)內(nèi)大氣中各種氣象要素（如氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)、云、霧、雨、雪、霜、雷、雹等）空間分布的綜合表現(xiàn)。下面介紹的幾種天氣現(xiàn)象是本文后面章節(jié)主要研究的內(nèi)容。（）大氣地球是由水圈及生物圈所組成。包圍地球的氣體外殼稱為地球大氣，簡稱大氣。由于地球引力的作用，大氣質(zhì)量的集中在千米高度以下，質(zhì)量集中在千米高度以下，的質(zhì)量集中在千米高度以下。大氣是由各種氣體及懸浮在空中的液態(tài)和固態(tài)微粒所組成的混合物。大氣可以大致分為干浩空氣、水汽、微粒雜質(zhì)和新的污染物。地球上一切有生命的東西都離不開大氣，大氣對地球上生物有著重要的作用。同時(shí)，在大氣中進(jìn)行著各種不同的物理過程，產(chǎn)生著各種不同的物理現(xiàn)象。大氣中有時(shí)風(fēng)起云涌，雨雪紛飛；有時(shí)云消風(fēng)靜，晴空蔚藍(lán)。這些天氣現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展，直接或間接地與大氣的成分、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)有關(guān)，所以，對大氣的研究能使我們更逼真地模擬各種天氣現(xiàn)象。（）光在大氣中傳播光是一種電磁波，大氣是一種成分和狀態(tài)都很復(fù)雜的介質(zhì)。方面，大氣是可以被光穿透的連續(xù)介質(zhì)，當(dāng)日月光或其它光源發(fā)出的光在大氣中傳播時(shí)，會(huì)受到衰減；另一方面，大氣又是由空氣分子和水滴、冰晶及其它各種氣溶膠粒子組成的，它們都會(huì)與光波發(fā)生相互作用。由于大氣的不均勻性，以及大氣總處于不停頓的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)之中。大氣大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文對光的折射、衍射、散射和吸收作用是復(fù)雜多交的，從而形成了多種多樣、絢麗多彩的大氣光學(xué)現(xiàn)象，它們可作為未來天氣變化的征兆。（）云、雨和雪水從海洋、江河、湖泊、潮濕的土壤通過蒸發(fā)或蒸騰成水汽進(jìn)入大氣，而后隨氣流輸送到其它各地和空中各不同高度處。在一定的條件下，大氣中的水汽又會(huì)凝結(jié)或凝華成云霧滴。若云霧滴迸一步增大就會(huì)形成降水。所以，蒸發(fā)、凝結(jié)、云的形成及云中降水所有這些過程都是緊密相聯(lián)的，它們各是整個(gè)自然界水分循環(huán)的個(gè)別環(huán)節(jié)。本文的研究內(nèi)容及組織方式本課題屬于的三維可視化研究領(lǐng)域，研究要解決的問題是幾種主要的天氣現(xiàn)象的真實(shí)感模擬和實(shí)時(shí)繪制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。具體研究內(nèi)容和組織方式如下：緒論。介紹三維的定義、研究現(xiàn)狀及在氣象方面的發(fā)展情況：描述幾種常見的天氣現(xiàn)象；闡述本文的研究內(nèi)容和組織方式。天空背景的模擬研究。分析天空背景變化的規(guī)律；提出符合變化規(guī)律的特征函數(shù)；完成天空背景的三角形分割繪制。云的模擬研究。結(jié)合圖形硬件可編程接口完成的光散射簡化模型計(jì)算；采用八分樹索引技術(shù)和三維空間對象替代紋理繪制技術(shù)加速大規(guī)模粒子云的實(shí)時(shí)繪帶速度。一雨和雪的模擬研究。完成通用、高效、可擴(kuò)展的粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)基于粒子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)降雨和降雪仿真。一天氣現(xiàn)象模擬研究的應(yīng)用。介紹某戰(zhàn)區(qū)氣象演示系統(tǒng)；具體展示了本文研究內(nèi)容的應(yīng)用效果。三維的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用天空背景的模擬研究天氣現(xiàn)象的模擬一般都要以天空作為背景，但是對天空的模擬并不是單純地畫一片藍(lán)色那樣簡單，天空顏色是隨著時(shí)間和空間的變化而變化的。大氣散射物理學(xué)對于理解天空顏色是至關(guān)重要的，但是，物理精衡陛并不是本章研究的重點(diǎn)。研究的主要內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)符合視覺效果的天空背景生成和繪制算法，研究的主要目標(biāo)是視覺上的真實(shí)感，研究的目的是模擬出天空顏色隨著太陽位置和觀察高度改變的變化規(guī)律，研究的方法必須快速高效，以便把更多的資源留給三維的其他任務(wù)。天空顏色的變化規(guī)律太陽光在到達(dá)地球表面前要經(jīng)過大氣的吸收、散射、反射或折射。人的眼睛根據(jù)可見光的波長分辨出不同強(qiáng)度和顏色。光的衰減是由吸收和散射引起的。只有在臭氧層人們一般才考慮光的吸收【】。所以，對于臭氧層下面的大氣人們一般只考慮光的散射作用。光的散射就是由于介質(zhì)中存在的微小粒子（異質(zhì)體）或者分子對光的作用，使光偏離原來的傳播方向而向四周傳播的現(xiàn)象。介質(zhì)的大小和波長不同散射作用也不同，所以人們看到的散射光和入射光是不同的。任何類型的電磁波在大氣中傳播都受散射的影響。散射強(qiáng)度和介子大小與入射光波長之間的比率有關(guān)。如果介質(zhì)大小相對小于入射光波長（“），發(fā)生的是瑞利散射；如果介子相對較大（），發(fā)生的是米氏散射。純凈的天空呈現(xiàn)出藍(lán)色是光在大氣中傳播的過程中發(fā)生散射的結(jié)果。根據(jù)瑞利散射定律，紫色和藍(lán)色光的散射強(qiáng)度較大，黃色和紅色光的散射強(qiáng)度較小。再加上眼睛對紫色光相對不敏感。所以純凈的天空一般呈現(xiàn)出藍(lán)色。大氣中還有一定數(shù)量的塵埃和水汽。這些異構(gòu)體發(fā)生米氏散射，所以，一般人們看到的天空不是純凈的藍(lán)色。天空的顏色和明暗的變化也是很復(fù)雜的。除了瑞利散射和米氏散射的共同作用外，天空顏色明暗分布還與太陽位置有關(guān)。如圖所示。圖中，天頂表示天空的至高點(diǎn)，觀察路徑表示觀察的方向，：表示太陽方向與天頂方向間的夾角，表示視線方向與天頂方向的夾角，表示太陽方向與視線方向的夾角。人眼觀察到的天空顏色可以總結(jié)為以下三個(gè)效果合成的結(jié)果【】：朝向太陽的方向，天空的亮度逐漸增強(qiáng)，顏色逐漸變白。如圖陽）。一太陽視線夾角為度，天空最暗，籃色最濃。如圖（。一朝著地平線方向，天空的亮度增強(qiáng)，顏色由深藍(lán)逐漸變自。如圖）。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，一圖天空顏色變化規(guī)律中使用的角度參數(shù)（）太陽周圍明亮區(qū)域（）天空最暗藍(lán)色最濃區(qū)域（）接近地平線漸變圖天空顏色受三個(gè)主要效果的影響第一個(gè)效果是米氏散射的結(jié)果。米氏散射的對方向的強(qiáng)烈依賴性，導(dǎo)致了朝著太陽方向亮度迅速變化，米氏散射對光波波長的較弱依賴導(dǎo)致了亮白色。第二個(gè)效果是瑞利散射的結(jié)果。由瑞利散射定律得出，太陽視線夾角為度時(shí)，散射強(qiáng)度最小。第三個(gè)效果是大氣濃度的結(jié)果。大氣對藍(lán)光和紫光的散射較強(qiáng)，對紅光和黃光的散射較弱。藍(lán)光和紫光對天空顏色的影響較多，尤其是在濃度較高的大氣中。三維的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)剛天空顏色生成算法，需解決問題大氣散射導(dǎo)致了天空背景顏色和亮度的變化。模擬天空背景也是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。在這方面有很多相關(guān)的研究，提出的方法一般都是基于解析散射方程，從而，確定某觀察點(diǎn)的光譜分布。即使對散射方程進(jìn)行簡化，解析散射方程仍然很復(fù)雜。正如本章前面提到的，物理精確性并不是本章研究的重點(diǎn)，本章的目的是實(shí)現(xiàn)符合視覺效果的天空背景生成和實(shí)時(shí)繪制算法。根據(jù)小節(jié)討論，天空背景的變化是有規(guī)律可循的，本文進(jìn)一步總結(jié)如下：一天空的基本顏色和基本亮度與時(shí)間有關(guān)。根據(jù)時(shí)間預(yù)先確定幾個(gè)采樣值。例如：黎明和黃昏的時(shí)候，呈現(xiàn)暖色。一時(shí)間一定的情況下，天空顏色的變化主要和被觀察位置的高度有關(guān)?？梢圆捎迷谔祉旑伾偷仄骄€顏色之間按照一定的變化規(guī)律作插值，得到某個(gè)高度的天空顏色。一時(shí)問一定的情況下，天空亮度的變化主要和太陽視線角度有關(guān)?？梢圆捎迷诮嵌葹楹椭畣柊凑找欢ǖ淖兓?guī)律作插值，得到某個(gè)角度位置的天空背景的亮度。由這些規(guī)律可知，關(guān)鍵是要找到符合這些變化規(guī)律的特征函數(shù)。目前，一些比較流行的三維動(dòng)畫和游戲的做法都是采用簡單的線性內(nèi)插法，即認(rèn)為特征函數(shù)是線性函數(shù)。但是這并不符合人們視覺上的效果。針對這個(gè)問題，本文提出了兩個(gè)特征函數(shù)：顏色隨高度變化的特征函數(shù)和亮度隨角度變化的特征函數(shù)。方法描述（）根據(jù)時(shí)間確定天空的基本顏色和亮度應(yīng)用特征函數(shù)插值前要確定天空基本顏色和基本亮度。那么，需要用到幾個(gè)預(yù)先指定的常量，這幾個(gè)常量存放在常量寄存器中。如表。這些常量值都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從視覺效果出發(fā)而設(shè)定的。具體的做法是，根據(jù)時(shí)間判斷當(dāng)前時(shí)刻所處時(shí)間段，即判斷是黑夜、白天、黃昏還是黎明。如果是黑夜和白天，那么，把常量寄存器中的相應(yīng)值賦值給相應(yīng)的基本顏色和基本亮度變量。算法如表。如果是黎明或者黃昏，則根據(jù)常量寄存器中的內(nèi)容作線性插值，把插值結(jié)果賦值給相應(yīng)的基本顏色和亮度變量?；绢伾突玖炼茸兞吭趯⒎謩e用于天空某具體位置的顏色亮度計(jì)算。大連理：大學(xué)碩士學(xué)位論文表確定天空基本顏色和亮度預(yù)先指定的常量表日出的時(shí)間日落的時(shí)間黎明時(shí)間段黃昏時(shí)間段夜晚的基本亮度系數(shù)白天的基本亮度系數(shù)太陽最大濃度（太嘲最小濃度（）白天地平線的顏色（）白天天頂?shù)念伾ǎ├杳鞯仄骄€的顏色（）黎明天頂?shù)念伾ǎS昏地平線的顏色（）黃昏天頂?shù)念伾ǎ┮雇淼仄骄€的顏色（）夜晚天頂?shù)念伾ǎǎ╊伾S高度變化規(guī)律由（）得到天頂位置和地平線位置的基本顏色。天頂?shù)降仄骄€的顏色是逐漸變化的，這種變化不是簡單的線性變化，接近地平線變化較快，靠近天頂變化較慢。通過觀察和試驗(yàn)，找到一個(gè)符合這種變化規(guī)律的特征函數(shù)，形如公式。公式采用對天空上某個(gè)位置法向量通道丌根方的方法。，：一，一巴扎。卵璺，、根指數(shù)越高，天項(xiàng)變化越慢，地平線變化越快。這里選擇。如圖。其中，橫軸代表某位置矢量的分量長度，天頂時(shí)值為，地平線處值為。對天空背景上的某個(gè)位置計(jì)算出具體的特征函數(shù)值，把函數(shù)值作為該位置的權(quán)值，在天頂和地平線顏色間作內(nèi)插，得到該位置對應(yīng)的具體顏色。如表。（）亮度隨角度變化規(guī)律由觀察得到的變化規(guī)律可知，與太陽成度角的天空位置最暗，這是瑞利散射的結(jié)果。這種變化不是簡單的線性變化，通過觀察和試驗(yàn)，提出符合這一規(guī)律的特三維的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用表確定天空基本顏色和基本亮度偽代碼，；（悄（）（一仍、（國，（一盔壟堡二！叁堂堡主堂堡壘塞一圖天空顏色隨節(jié)點(diǎn)矢量分量變化的特征函數(shù)表插值計(jì)算某位置顏色偽代碼（亡（，）（一）圖天空亮度隨角度的變化特征函數(shù)三維的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)月表插值計(jì)算某位置亮度偽代碼（）（一曲征函數(shù)，形如公式。公式采用對太陽視線夾角的余弦值求指數(shù)的方法。，日、這里選擇指數(shù)為。如圖。由于太陽距離地球很遠(yuǎn)，本文假設(shè)觀察位罨始終位于天空圓頂屋的球心位置。對天空背景上的某具體位置計(jì)算出特征函數(shù)值，把函數(shù)值作為該位置的權(quán)值，在太陽最大亮度和太陽最小亮度間作內(nèi)插，得到該位置對應(yīng)的亮度。具體算法描述如表。最終某位置的繪制顏色由上述（）（）（）計(jì)算的結(jié)果綜合得到。實(shí)時(shí)繪制天空背景生成天空形態(tài)天空形態(tài)模擬成一個(gè)半球形的圓頂屋。這個(gè)圓頂屋和地球的地理坐標(biāo)系統(tǒng)類似，使用一系列的經(jīng)線和緯線【，】。這樣模擬的結(jié)果是，在天頂?shù)牡胤綀A頂屋三角形分解效果很好，而接近于地平線的地方，三角形分解得很粗。如圖（）。本文的繪制方法是基于節(jié)點(diǎn)級(jí)的，也就是說，利用的光柵處理可編程接口實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間顏色和亮度的平滑過渡。因此，天空背景的繪制效果和三角形分解方法有很大關(guān)系，分解的三角形要盡量均勻。改進(jìn)后的分解效果如圖）所示。大連理一大學(xué)碩士學(xué)位論文（）基于經(jīng)緯線的方法（）改進(jìn)后的方法圖天空圓頂屋分解結(jié)果分解方法的基本思想是，保持緯度間的距離不變，盡量把每個(gè)緯度帶分割成大小一致的三角形。由于緯度間的距離不變，相鄰兩條緯線的周長變化量相等。由此，沒相鄰緯線上的節(jié)點(diǎn)變化量相等，比如，第一條緯線圈有個(gè)節(jié)點(diǎn)，第二條緯線圈就有個(gè)節(jié)點(diǎn)，第三條緯線圈就有個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此類推。具體分割方法如表所示。表生成天空圓頂屋改進(jìn)算法的偽代碼】【】觸血】（）（）【幣（）（）三維的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用一繪制天空背景計(jì)算天空顏色就是計(jì)算生成天空形態(tài)的半球形圓頂屋上的所有節(jié)點(diǎn)的顏色，把的節(jié)點(diǎn)可編程接口參數(shù)設(shè)定為連續(xù)三角形平滑繪制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)天空背景的繪制。具體繪制三角形的過程要通過很多復(fù)雜繁瑣的判斷條件，方法見附錄。大連理工人學(xué)碩士學(xué)靜論文云的模擬研究云是一種重要的天氣現(xiàn)象，不僅美觀性和易變性令人驚嘆，更是人們預(yù)測天氣變化的重要依據(jù)。但是，由于云本身形成變化過程的復(fù)雜性和光的作用使得云的模擬和實(shí)時(shí)繪制很困難。月前，對云的模擬還停留在簡單的貼圖方法上。但是，貼圖的方法模擬出的云很不真實(shí)，尤其是在三維場景交互式的應(yīng)用中，用戶一般要求飛躍穿過真實(shí)的體狀云。模擬體狀云，除了要求云本身的變化外，還要求云在風(fēng)和其他力（如浮力）的作用下做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，此外，為了增強(qiáng)云的真實(shí)感還需要考慮太陽光的照明以及云的內(nèi)散射作用。本文云模擬研究的重點(diǎn)是模擬應(yīng)用于三維交互式系統(tǒng)的快速高效繪制的靜態(tài)云，不考慮云本身的動(dòng)態(tài)變化過程。也就是說，可以預(yù)先對靜態(tài)粒子云建模，假設(shè)云粒子的彼此對位置不變。這樣，研究的重點(diǎn)內(nèi)容就是：完成云的光散射作用模型以模擬真實(shí)感；加快云的實(shí)時(shí)繪制速度以滿足二維交互式系統(tǒng)的需求。兩個(gè)層次的云建模云建模要解塊的問題是，如何用計(jì)算機(jī)表示云，如何生成和組織表示云的數(shù)據(jù)。如果對組成云的每個(gè)微小水滴都做明確的描述，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)硬件日前的計(jì)算相存儲(chǔ)能力，凼此大多數(shù)的研究方法采用粗略的模型【】。圖兩個(gè)層次的粒子云建模過程。三維的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)【本文采用的是兩個(gè)層次的粒子云建模方法。假定粒子云的每個(gè)粒子粗略地代表了一個(gè)類似球形的空間對象，每個(gè)粒子的濃度由一個(gè)高斯算法生成的小紋理圖片表示，濃度由中心遞減。每個(gè)粒子的屬性包括中心位置、半徑、濃度和顏色。每朵云由大小和濃度不同的一系列粒子集合組成。組成云的粒子可以通過兩個(gè)層次建?！浚焊邔咏Ｊ褂昧⒎襟w控制云的基本形態(tài)；底層建模結(jié)合隨機(jī)數(shù)把每個(gè)立方體細(xì)化成粒子，通過生成隨機(jī)數(shù)和相應(yīng)的參數(shù)控制每個(gè)粒子的大小和濃度。最后，把生成的云的基本粒子數(shù)據(jù)寫入文件，完成云建模過程。具體的步驟如圖所示。的散射模型人眼觀察到的云是光和組成云的物質(zhì)相互作用的結(jié)果。云是由許多微小的、具有一定濃度的水滴組成。要想模擬出真實(shí)感的云，就是要模擬出光和組成云的水滴相互作用的視覺效果。光和這些水滴的最主要相互作用就是光散射。下面介紹幾個(gè)重要的有關(guān)光散射的基本概念，主要來自文獻(xiàn)【，】。圖光在大氣中的散射圖展示了一個(gè)簡單散射活動(dòng)，即來自太陽的光在點(diǎn)散射到觀察方向。經(jīng)過了一次或多次散射的光也可能到達(dá)點(diǎn)發(fā)生散射。觀察方向和太陽光之間的夾角寄叫做散射角。散射角是散射相位函數(shù)中獨(dú)立的變量。到達(dá)觀察點(diǎn)心的光是沿著整個(gè)觀察路徑的所有散射作用結(jié)合的結(jié)果。大連理工大學(xué)碩士學(xué)能論文光作用于單個(gè)粒子時(shí)，一般只發(fā)生一次散射，這叫做單散射。對于很小或者很透明的介質(zhì)，采用單散射模型。比如純凈的空氣和微小濃度的水蒸氣就屬于這種介質(zhì)。光相繼作用于多個(gè)粒子時(shí)，發(fā)生了多次散射，這叫做多重散射。對于像這樣的介質(zhì)只用單散射模型是不能模擬出真實(shí)感強(qiáng)的視覺效果。云的模擬就要考慮多重散射。這樣的介質(zhì)散射率接近，濃度高，通過這樣介質(zhì)的光經(jīng)過多次散射后，幾乎都傳播出去。散射模型模擬了光與介質(zhì)的相互作用。單散射模型模擬了按單一方向介質(zhì)對光的散射情況。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，這個(gè)方向通常是指向視點(diǎn)的方向，這是因?yàn)樯⑸涞揭朁c(diǎn)的光讓我們看到云的樣子。多重散射模型從物理光學(xué)的角度來說更加精確，但是，多重散射模型要求計(jì)算所有方向的散射情況，計(jì)算多重散射很復(fù)雜，需要對整個(gè)球面角積分，代價(jià)很高。事實(shí)上，多重散射的大多數(shù)路徑是可以忽略的，對視覺效果影響不大，主要受影響的是沿光線傳播的向前散射周圍的方向和指向視點(diǎn)的方向。本文散射模型進(jìn)一步簡化為一個(gè)包圍沿光線傳播方向小球面角的多重散射和一個(gè)視線方向的單散射。研究表明，組成云的水滴主要發(fā)生這種前向散射。因此，盡管忽略了大多數(shù)的出射光方向，這種散射模型仍然能夠模擬出散射作用的重要視覺效果。在他的博士論文中給出了個(gè)由云水滴發(fā)生的強(qiáng)前向散射的分析。這個(gè)分析結(jié)果為使用的多重前向散射簡化模型提供了更有力的支持，他的研究結(jié)果表明僅球面度列應(yīng)的散射量就占總散射量的半以上。本文的散射模擬分兩個(gè)過程：繪制場景前，對云粒子應(yīng)用簡化的多散射模型，得到云粒子經(jīng)過光散射作用后的基本顏色；繪制場景中，對云粒子應(yīng)用觀察方向的單散射模型，得到人眼看到的云粒子的繪制顏色。（）多散射模型首先，計(jì)算方向？的光在任意位置的入射光。該入射光幽兩部分組成：部分是沒有與其他粒予發(fā)生作用而直接傳輸?shù)降墓?；另一部分是從其他粒子散射到的光。散射模型可以寫成公式。擘鼉一（世一）您咖厶；十如嘞；舔（）三維的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)川其中，聯(lián)神表示從云的外面來自甜方向的入射光，麗）表示云在深度的消光系數(shù)，表示沿著光傳播方向的深度，表示其他方向的光在散射到方向的光，由公式計(jì)算得到。（，）（，）（，國）口（）其中，（，腳）表示來自所有方向在點(diǎn)處散射到掰的光。其中，甌啦表示在點(diǎn)處來自的光，有百分之多少散射到了國方向。，設(shè)吐，可迸一步擴(kuò)展為（，：）球）磅（璐豌，），口（磚表示菇處的反射率，蘆（燃群表示相位函數(shù)。模擬完全散射必須沿所有入射方向?qū)Γ?；）積分。的散射模型計(jì)算光線傳播方向周圍的很少的多重散射，因此，形和。為了實(shí)現(xiàn)多重前向散射模型，列公式很小的前向方向球面角，積分。因?yàn)榍蛎娼呛苄?，假定列?yīng)范圍內(nèi)的，和是常量，所以公式可以簡化為熊）聯(lián)耳，一甄，一死。計(jì)算多重散射的方法是以線性積分的方法為基礎(chǔ)的【。這種方法沿著光向前傳播的方向從到上分成離散段母，從到，是沿著光的傳播方向從到上）的云粒子的數(shù)目。那么，得到散射模型的離散形式，如公式。一。髫?！芭?。，）其中，如表示在云的邊界上的入射光，魄變成毋露烈厶一）也燁瓦形式。為了計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)散射模型的計(jì)算，將公式轉(zhuǎn)換成遞歸形式，如公式。，一，厶，其中，玨學(xué)“?？梢赃@樣直觀地理解公式。從云的外面開始沿著光的方句，每個(gè)云粒子融的入射光等于從靠散射到融的光，再加上通過的光（由躁】確定）。如果的囂展開，那么兩個(gè)項(xiàng)里都包含磊，因此，需要利用圖形硬件可編程接口來實(shí)現(xiàn)公式的遞歸計(jì)算。（）單散射模型除了多鶯前向散射外，還要完成散射到視點(diǎn)方向的單散射。的單散射遞歸方程形如公式。女疋。女一，補(bǔ)一?；疬B理：大學(xué)碩士學(xué)位論文公式與公式有所不尉。這個(gè)方程表示，任意云粒子西的出射光礞等于入射到肼但沒有吸收的光廷上它散射的光赫。多重前向散射模型計(jì)算的是入射到每個(gè)云粒予的光豇，而單散射模型中感興趣的是朝向觀察點(diǎn)的散射情況。鐓由船舔烈娥書也研算得到，其中甜表示觀察方向。這里重要指出，單散射模型使用了多重散射模型的計(jì)算結(jié)果（矗）。由于在兩個(gè)遞歸運(yùn)算中都使用了相位方程，可能誤認(rèn)為在某一位置同一光線作了兩次散射計(jì)算。但并不是這樣，因?yàn)槎嘞蛏⑸淠Ｐ陀?jì)算的是某一位置的入射光，單散射模型計(jì)算的是某一位置的出射光。多重散射中，靠乘相位方程得到沿光線方向，散射到最的光，單散射，中，矗乘相位方程得到晟散射到視線方向的光。即使視點(diǎn)剛好與光源相對，由于熊的入射光在繪制前存儲(chǔ)起來，并用于繪制時(shí)的單散刺計(jì)算，所以，對于同一個(gè)云粒子，散射并沒有計(jì)算兩次。（）相位函數(shù)相位函數(shù)輯在公式和公式的計(jì)算中起著非常重要的作用。相位函數(shù)確定了對于某給定入射光的散射分布情況。相位函數(shù)在【】中都有詳細(xì)的討論，本文采用的是瑞利散射相位函數(shù)（。），其中表示入射光和散射方向的夾角。一般來講，瑞利散射只適用于散射粒子較小的情況。本文選擇瑞利散射相位函數(shù)是因?yàn)樗挠?jì)算比較簡單，而且試驗(yàn)表明采用這個(gè)函數(shù)對視覺效果沒有太大的影響。圖形硬件可編程接口實(shí)現(xiàn)散射模型考慮到數(shù)學(xué)模型公式是遞歸的，可以結(jié)合圖形硬件可編程接：（如或）加速散射模型的計(jì)算【】。關(guān)鍵的技巧是完成圖形硬件的混色操作和緩沖區(qū)像素點(diǎn)顏色的回讀?；焐僮骶褪怯?jì)算緩沖區(qū)內(nèi)容和輸入內(nèi)容的帶權(quán)平均值，最后，把結(jié)果寫入緩沖區(qū)中。中的混色函數(shù)形如公式。，腓黜，船贏刪如果，設(shè)贏矗，后，島髀，歹弦，那么，混色操作前幀緩沖區(qū)指定為而，公式就和公式相當(dāng)。但是，蠢在公式中同時(shí)是兩個(gè)項(xiàng)的因子，要計(jì)算鳳的遞歸公式，首先必須確定既的入剁光，這樣，就要用到緩沖區(qū)像素點(diǎn)顏色的回讀。完成公式，和公式遞歸計(jì)算的具體方法如表的方法。三維的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用表云粒子照明和繪制過程。：一；（）塒：；缸；（，）；（，）；鋌，鯫，“，（）：珞：醞唧；女；鯫十矗兀：尹（）；甜；般（，幻；鳳，強(qiáng)：一一場景繪制前的預(yù)處理過程，幀緩沖區(qū)設(shè)為白色，表明在云的邊界處光線沒有衰減。云粒子沿著光的傳播方向排序。每繪制一個(gè)粒子到幀緩沖區(qū)中，粒子的透明度改變了該大連理工人學(xué)碩士學(xué)位論文粒子覆蓋的幀緩沖區(qū)對應(yīng)的像素點(diǎn)的顏色，完成了一定量的前向散射。在繪制該粒子前，來自球面角的風(fēng)的入射光通過讀取以腓在屏幕上投影點(diǎn)為中心的小范圍的像素點(diǎn)的顏色得到。像素點(diǎn)的平均值乘，五乘以光的濃度（值），結(jié)果用于計(jì)算公式和公式。場景繪制過程中，云粒子沿實(shí)時(shí)變化的觀察方向排序，不回讀緩沖區(qū)像素點(diǎn)。預(yù)處理計(jì)算得到的磊在繪制過程中用于計(jì)算觀察方向的散射光。在上面兩個(gè)過程中，云粒子都是按照順序繪制成一個(gè)小的高斯紋理。紋理的繪制顏色設(shè)為璐（），耳。預(yù)處理過程中表示光的傳播方向，繪制過程中表示觀察方向。本文在實(shí)現(xiàn)的氣象演示系統(tǒng)具體編碼過程中，鏹和靠作為常數(shù)，分別取和。加速云的實(shí)時(shí)繪制速度通過散射模型的簡化和的結(jié)合，得到了真實(shí)感很好的云模擬結(jié)果。但是，一般的應(yīng)用要求有很多復(fù)雜或者高分辨率的云組成，同時(shí)，交互式的應(yīng)用要求很高的交互模擬速度。如果，每一幀都對所有的粒子進(jìn)行繪制，在現(xiàn)有的硬件條件下幾乎是不可能的。而且，云的模擬只是三維應(yīng)用的一個(gè)組成部分，因此，必須在實(shí)時(shí)繪制過程中提高速度。本文結(jié)合兩種方法加速大規(guī)模粒子云的實(shí)時(shí)繪制速度：動(dòng)態(tài)地生成替代品和三維空間八分樹索引的視景體剪裁。動(dòng)態(tài)地生成替代品圖動(dòng)態(tài)生成替代圖像的側(cè)面圖。三維的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)剛這早的替代品是指一個(gè)半透明的多邊形紋理，用這個(gè)紋理替代三維場景中的某個(gè)要繪制的對象，本文替代的對象是靜態(tài)的粒子云。這個(gè)替代紋理在視覺誤差允許范圍內(nèi)對多個(gè)視點(diǎn)有效。對應(yīng)于某個(gè)視點(diǎn)的替代紋理能有效地近似模擬需要繪制的對象。替代紋理可以預(yù)先生成，也可以在需要繪制的時(shí)候動(dòng)態(tài)地生成，】。本文采用文獻(xiàn)】的方法動(dòng)態(tài)生成紋理。如圖。為了直觀，圖中白色線表示視景體，黃色線表示生成的紋理的邊框。首先，確定視景體位置，視點(diǎn)設(shè)在生成替代紋理對應(yīng)的視點(diǎn)位置，視點(diǎn)嚴(yán)格對應(yīng)對象的范圍。接下來，設(shè)慝臨時(shí)緩沖區(qū)，在當(dāng)前視圖投影矩陣下繪制靜態(tài)的粒子云。最后，用的接，由屏幕緩沖區(qū)生成紋理，生成云的替代紋理圖像，釋放臨時(shí)緩沖區(qū)，恢復(fù)原三維場景的緩沖區(qū)。本文通過找到三維場景中幀與幀之間的一致性，在視覺誤差允許的范圍內(nèi)，在多個(gè)幀中使用同一個(gè)紋理圖像替代云，從而提高云繪制的速度。幀與幀之間的一致性導(dǎo)致了多個(gè)幀的紋理圖像的重用。本文使用誤差估計(jì)作為是否需要更新紋理圖像的條件?！局薪o出了兩個(gè)與幀一致性相關(guān)的重要的誤差衡量標(biāo)準(zhǔn)。第一個(gè)叫做