一种真实感雪场景模拟方法

摘要：

探讨已有降雪和积雪模拟方法，针对粒子系统难以同时兼得真实性与实时性的问题，提出一种真实感较强的雪场景实时绘制算法。算法用矩形基本粒子进行纹理叠加映射来建模雪粒子，用温度调节控制雪粒子大小及雪密度大小，归一化生命周期并用于颜色混合。飘雪阶段，引入层次细节（LOD）技术，根据雪粒子真实受力特点模仿其运动过程，并将其受力全面综合考虑并简化，提高降雪模拟效果真实度，并降低计算复杂度。积雪阶段，获取场景模型暴露面及其高度场，以暴露面中点的高度及其点坐标为基础，得到雪粒子落地位置，进而模拟积雪高度变化效果；将整个地面作为地面雪粒子发射器，模拟积雪融化效果，提高真实性。

关键词：

粒子系统；降雪模拟；积雪模拟；高度场；层次细节

0引言

对雪景等复杂自然现象的模拟一直是计算机图形学及虚拟现实领域的研究热点和难点之一，雪场景模拟广泛应用于虚拟现实、影视动画、电脑游戏等领域。此外，雪景仿真对雪沉积的有效预测对于防治强降雪和过度积雪可能造成的雪灾，也具有一定的实用价值。对于雨雪瀑布等细节较为丰富、动态多变且无规律可循的自然景物真实感绘制，1983年Reeves[1]首次提出的可以使用简单体素构造复杂物体的粒子系统，迄今为止仍被认为是最为成功的图形生成算法，其简单通用，但是真实感有待提高[2]。

雪花建模方面，1904年， Koch设计出的分形曲线雪花建模开创雪花模拟的先河；之后，Reiter[3]引入水蒸汽密度，提出双参数细胞模型。Moeslund等[4]引入NS（NavierStokes）风场模型并通过简化几何方法模拟绘制三维雪花。Gravner等[5]提出以凝聚核为基础单位，引入DLA（DiffusionLimited Aggregation）技术建模末端枝状各异雪花模型并用固体分层技术模拟雪花生长。

飘雪方面，谢剑斌等[6]将简单随机函数用于粒子系统以动态控制雪粒子运动，实时性强，但雪粒子建模不够细腻，不够逼真。Langer等[7]用静态图像模拟飘雪过程；随后，Langer等[8]用二维图像模拟三维飘雪，这两种算法都是用图像处理方法模拟飘雪过程，雪花运动没有考虑风及空气对流，缺乏一定的真实性。Wang等[9]通过交替渲染四幅连续纹理模拟大规模飘雪场景，效果不够细腻。Saltvick[10]基于平行算法及物理模型模拟飘雪和积雪场景，实时性强，但真实性不高。魏远航等[11]以视频或图像为基础，引入深度图信息以增加飘雪场景模拟的层次感，实时性强，但真实性有待提高。

积雪方面，Fearing[12]基于雪花飘落数目及稳定性模型形成积雪场景，效果细腻逼真，但实时交互性差。Ohlsson等[13]提出先遮挡剔除预处理以提高实时性，但是前期工作太繁杂。Saltvick等[14]采用平行算法模拟积雪场景以提高绘图速度，实时性强，但缺乏层次感。

本文主要结合Fearing算法、Ohlsson算法及谢剑斌算法等，基于粒子系统及高度场理论，将飘雪与积雪场景分开绘制并巧妙融合，实现雪景模拟，算法既保证真实性又不失实时性。

3结语

首先探讨了现有飘雪及积雪模拟方法，针对粒子系统中粒子数量大时，粒子大小不一、形状各异、运动轨迹随机、生命周期不同步等造成的真实性与实时性难以同时得到保证的问题，提出了真实感雪景模拟方法。实验结果表明，本文算法相对于Ohlsson算法，前期工作较为简练；相对于谢剑斌算法，雪粒子建模较逼真；相对于Fearing算法，实时性较强。总之，本算法在保证真实性的同时，实时性良好。

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