基于元胞自動(dòng)機(jī)的自然云模擬.pdf

1、自然現(xiàn)象的模擬是近十幾年來(lái)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，自然景物的渲染是圖形學(xué)技術(shù)研究中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，如何構(gòu)造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形態(tài)變化的物體是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)新課題，而其中云的模擬已經(jīng)成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。鑒于傳統(tǒng)的集合建模方法難以有效的對(duì)云這種形狀毫無(wú)規(guī)則并且動(dòng)態(tài)變化極其復(fù)雜的物體進(jìn)行描述等問(wèn)題，本文選用元胞自動(dòng)機(jī)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)結(jié)合流體力學(xué)中關(guān)于描述像云這種無(wú)規(guī)則物體等方面的介紹，在云的建模方法、動(dòng)態(tài)模擬以及光照模型三個(gè)方面進(jìn)行

2、了改進(jìn)研究。本文的研究?jī)?nèi)容主要包括:
　　1.基于元胞自動(dòng)機(jī)的云的建模
　　通過(guò)對(duì)元胞自動(dòng)機(jī)模型的研究，利用其簡(jiǎn)單、高效等的特點(diǎn)，結(jié)合云的物理現(xiàn)象，將元胞自動(dòng)機(jī)應(yīng)用于自然云的建模中，初步實(shí)現(xiàn)了自然云的模型建立，一定程度上提高了建模的速度。提出了一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的云的狀態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)則，該規(guī)則以真實(shí)世界中云的特征轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)，對(duì)云的產(chǎn)生加以控制，使模型的建立符合自然云的狀態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律。
　　2.結(jié)合數(shù)學(xué)物理方程研究了動(dòng)態(tài)的自然云

3、實(shí)現(xiàn)方法。
　　在對(duì)流體力學(xué)中關(guān)于描述像云這種無(wú)規(guī)則物體等方面有了一定的研究的基礎(chǔ)上，提取出影響云的運(yùn)動(dòng)的幾種自然因素以及它們的影響方式，提出了利用元胞自動(dòng)機(jī)模型對(duì)云的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行模擬的方法。該方法能夠結(jié)合自然云運(yùn)動(dòng)的物理原理，使用元胞自動(dòng)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)則進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，有助于提高模擬的真實(shí)感。在真實(shí)世界中，云的高度會(huì)對(duì)風(fēng)的大小產(chǎn)生影響，從而影響其被動(dòng)的運(yùn)動(dòng)；而外界環(huán)境中的濃度，溫度以及產(chǎn)生的對(duì)流擴(kuò)散等都會(huì)使其發(fā)生內(nèi)部的擾動(dòng)變化。在數(shù)學(xué)

4、物理方程中，對(duì)這些變化和影響都有著較為成熟的研究。而結(jié)合已有的數(shù)學(xué)物理方程，構(gòu)建出基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)則，使得云的動(dòng)態(tài)模擬即具有真實(shí)性，又不失速度。
　　3.對(duì)自然云的光照渲染進(jìn)行了深入的研究
　　在自然界中，光線在介質(zhì)中的傳播通常會(huì)產(chǎn)生反射、折射、衍射、散射等現(xiàn)象，在云中的傳播也不例外。將云看成一個(gè)個(gè)小粒子，各個(gè)粒子所接受到的光線以及由此產(chǎn)生的反射、散射等現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生相互影響，并進(jìn)一步影響所接受到的光線的強(qiáng)度，因此

5、，光線在云中的傳播是一個(gè)復(fù)雜而反復(fù)的過(guò)程。在光線傳播的簡(jiǎn)化過(guò)程中，產(chǎn)生了多重散射和單向散射兩種理論。在本文的研究過(guò)程中，在不失真實(shí)性的前提下，將其進(jìn)一步簡(jiǎn)化，采用前向?yàn)橹鞯亩嘀厣⑸浜蛦蜗蛏⑸湎嘟Y(jié)合的方法進(jìn)行光線的渲染。在光線由光源傳播到云的過(guò)程中，采用前向?yàn)橹鞯亩嘀厣⑸淠Ｐ?，即真?shí)的表現(xiàn)出了光線在云中的各種傳播路徑，又由于對(duì)其產(chǎn)生的極小影響的光線進(jìn)行了弱化忽略，提高了計(jì)算速度；在計(jì)算光線由云團(tuán)傳播到視角的過(guò)程中，采用單向散射技術(shù)，滿足了