云的真实感模拟技术综述new

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1、万方数据云的真实感模拟技术综述邱航杨珂陈瑜陈雷霆(电子科技大学计算机科学与工程学院成都611731)摘要云作为自然场景的一种重要组成元素，其形状不规则、物理形成过程复杂，因此很难实现实时绘制，云场景真实感模拟已成为计算机图形学中的热点和难点之一。综述了二十多年来云场景真实感模拟技术的发展情况，分别从云的建模、动态模拟、光照效果模拟等几个方面对该领域的研究进展做了比较深入、全面的分析，介绍了典型方法的基本原理和优缺点。最后对一些具有代表性的模拟方法进行了比较和总结，并对未来发展趋势进行了展望。关键词云场景，真实感模拟，粒子系统，元细胞自动机，体绘制，双

2、向反射分布函数中图法分类号TP391文献标识码ASurveyonRealisticSimulationofCloudQIUHangYANGKeCHENYuCHENLei-ting(SChooIofComputerScienceandEngineering，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu611731，China)AbstractC10udiSoneofthenatureelementsthatiSdifficulttOrenderinreal-timeduetOitsp

3、eculiarmicrostructuresandcomplexphysicalprocessofformation．Realisticsimulationofcloudisone0fthechallengingtopicsincomputergraphics．Acomprehensivesurveyonrealisticsimulationofcloudinrecenttwentyyearswaspresented，withadetailin—troductiontothemodeling，dynamicsimulationandlightscat

4、teringeffecttechniquesofcloud．Somefundamentalprinei—pies，advantagesanddisadvantagesofthetypicalmethodswereintroducedandanalyzed．Finally，sometypicalsimulationmethodswerecomparedandsummarizedindetail，somekeyresearchissuesthatneedtobefurtherresearchedwerepointedout．KeywordsCloudsc

5、ene。Realisticsimulation，Particlesystem，Cellularautomaton，Volumerendering，Bidirectionalre—flectancedistributionfunction1引言云是一种常见的大气现象，模拟其真实感在虚拟战场、飞行仿真、游戏动漫、影视特技等领域有着重要的应用。由于云没有确定的表面和边界，形成的物理机制复杂，且其特征不断变化，因此云场景的真实感建模与绘制一直被视为计算机图形学中最具挑战的课题之一。二十多年来，研究人员在云的真实感模拟领域提出了许多新方法，在模拟效率、真实感等

6、方面取得了较大的进展。本文分别从云的建模技术、动态特性模拟以及光照效果模拟等几个方面，对该领域的发展作了一个较全面的综述，以期对本领域研究人员有所裨益。2云建模技术云建模的目的是要表述云的形态特征，建模的过程需要解决如何在计算机中产生用于描述云外形的数据，以及如何存储这些数据等诸多问题。从云产生的物理机制来看，它是悬浮在空气中的大量小水滴和冰晶共同组成的可见聚合体‘¨，其分布广泛，形态随时间不断变化，具有不规则性。云的复杂内部结构以及无确定表面、边界的特性导致传统造型手段难以适用。目前，国内外针对云的外形建模大体上采用3种类型的方法，即数值模拟方法、

7、启发式方法和混合式方法。2．1数值模拟方法数值模拟方法以云形成的物理过程为出发点，通过选取不同的数值计算模型生成云数据。1984年，Kajiya等[23采用积云对流(cumulusconvection)数值模型，通过求解简单大气流体动力学方程组，得到3D网格上液态水混合比率，将其作为云的浓度分布数据，利用光线跟踪算法绘制出云效果。该方法较为复杂，同时受当时硬件条件限制，云的模拟尺度较小。2002年文献[3，4]利用稳定流(stablefluid)[53解决了在网格上进行流体模拟时稳定性较差的问题，通过加入涡旋约束力[6]补偿了计算中存在的数值耗散。H

8、arris等[7灌]采用更为优化的热力学方程，避免了冗余计算。为了模拟大规模云系，2006年Dobashi等