虛擬云的構(gòu)造與仿真

張小瑞+舒雅+孫偉+楊澤俊+朱利豐+宋愛國

摘 要： 自然界云由于具有動(dòng)態(tài)模式多變、外表不規(guī)則等特點(diǎn)，故基于虛擬現(xiàn)實(shí)自然現(xiàn)象云模擬是最為復(fù)雜的模擬對象之一。該文運(yùn)用環(huán)境光、漫反射光、鏡面反射光處理云的光影，采用3ds MAX 2016和OpenGL，實(shí)現(xiàn)了一天中不同時(shí)刻云的仿真以及10種具有代表性云的構(gòu)造與仿真。通過VC++ 2016編寫程序，并利用AE和PR技術(shù)進(jìn)行后期制作，實(shí)現(xiàn)了晴天云、雨天云、雪天云三種常見天氣仿真，模擬效果逼真。

關(guān)鍵詞： 云； 虛擬現(xiàn)實(shí)； 天氣仿真； 3ds MAX 2016； OpenGL； VC++ 2016

中圖分類號： TN911?34； TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）04?0001?05

Abstract： As clouds in nature have characteristics of variable dynamic patterns and irregular appearances， simulation of clouds in natural phenomena based on virtual reality becomes one of the most complicated simulation objects. In this paper， the cloud shadows are processed by using ambient light， diffuse reflection light， and specular reflection light. 3ds MAX 2016 and OpenGL are used to realize the simulation of clouds at different times of a day， and the construction and simulation of ten representative clouds. VC++ 2016 is used to compile the program， the AE and PR technologies are adopted for post?production， and the simulation for three common weather of sunny clouds， rain clouds， and snow days clouds is realized with vivid simulation effect.

Keywords： clouds； virtual reality； weather simulation； 3ds MAX 2016； OpenGL； VC++ 2016

0 引 言

云的生成、外形特征、分布以及演變，不僅反映了大氣運(yùn)動(dòng)，且是天氣變化征兆之一，對人們的生產(chǎn)、生活實(shí)踐有重要的參考價(jià)值。隨著對自然環(huán)境模擬逼真度的要求不斷提高，云的構(gòu)造與仿真已成為虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，是圖形學(xué)領(lǐng)域重要的研究課題。

近年來，研究人員在對云這種自然景象進(jìn)行模擬方面開展了大量研究，取得了一系列成果。Wang在對之前Neyret的方法進(jìn)行了改良和簡化[1?2]，將云層的點(diǎn)繪制發(fā)展成基于體分割的面繪制，并配以高精度紋理，大幅度提升了云層仿真的繪制效率和仿真效果。Yu等在Wang的云層構(gòu)建方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了很多在自動(dòng)化生成和計(jì)算方面的改進(jìn)[3?6]。

目前模擬的真實(shí)感、實(shí)時(shí)性存在不足，實(shí)現(xiàn)的天氣特效模擬比較單一，沒有加入其他元素進(jìn)行綜合模擬，實(shí)用性較差，研發(fā)成本高。本文通過對不同形態(tài)云的仿真研究，并通過OpenGL對環(huán)境進(jìn)行初始化，結(jié)合VC++2016編寫程序，以消耗較少系統(tǒng)資源達(dá)到逼真效果，在天空場景中繪制出了動(dòng)態(tài)高效且具有高度真實(shí)感的云層。

1 虛擬云構(gòu)建

1.1 云的光影

自然界中云的色彩是在光的反射、折射、散射等光學(xué)現(xiàn)象中表現(xiàn)出來的，是光在云中傳輸而呈現(xiàn)出的視覺效果。光學(xué)原理認(rèn)為，自然界光線的分布與傳播是由許多離散的光子所構(gòu)成，光子不斷由光源向外散發(fā)，當(dāng)光子遇到物體表面后分為兩部分：一部分以特定波長運(yùn)動(dòng)的光子被表面吸收；另一部分將分散到環(huán)境中。因此，云的構(gòu)建應(yīng)主要考慮環(huán)境光、漫反射光、鏡面反射光。設(shè)[Q]為云表面任意點(diǎn)，觀察[Q]點(diǎn)所看到的光強(qiáng)[lQ]可表示為：

1.2 構(gòu)建方法

當(dāng)前，云層場景繪制逐漸由二維向三維方向發(fā)展。三維立體云建模消除了二維云在攝像機(jī)距離較近時(shí)所表現(xiàn)出的不真實(shí)性以外，還解決了其最嚴(yán)重的缺陷：二維云的不可穿越性。同時(shí)在天空仿真系統(tǒng)中加入三維立體云的研究，增加了其仿真真實(shí)感。

目前，常用的兩種三維立體云建模方法分別是粒子系統(tǒng)建模[7]和基于體分割繪制建模[8]，本文采用前者建模。

由于粒子系統(tǒng)建模解決了傳統(tǒng)計(jì)算方法無法解決的云外形多變且不規(guī)則、邊緣輪廓模糊的問題。通過將那些不規(guī)則的自然物體看成是無數(shù)個(gè)微小的粒子構(gòu)成的，這些粒子都具有其各自的屬性如顏色、位置、生存周期、速度等，通過控制粒子的這些屬性，從而實(shí)現(xiàn)對不同物體的仿真模擬。粒子經(jīng)過創(chuàng)建、運(yùn)動(dòng)、消亡的過程，不斷的有新粒子產(chǎn)生和舊粒子的消亡，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)對不規(guī)則物體的繪制，具有相當(dāng)不錯(cuò)的動(dòng)態(tài)仿真真實(shí)感，流程圖如圖1所示。

本文云模擬具體分為以下幾個(gè)步驟：

1） 通過OpenGL對環(huán)境進(jìn)行初始化；

2） 讀取外部云數(shù)據(jù)，生成并初始化云粒子；

3） 根據(jù)讀取特定的云數(shù)據(jù)，設(shè)置云粒子屬性，實(shí)現(xiàn)對特定云的仿真；

4） 隨著時(shí)間變化，粒子的生存周期逐漸減少，判斷云粒子生命周期是否終結(jié)，當(dāng)生存周期為 0 時(shí)，粒子周期終結(jié)，執(zhí)行步驟3），否則繼續(xù)執(zhí)行；endprint

5） 生存周期不為 0 的粒子為有效粒子，對其進(jìn)行渲染，生成云的圖形。

2 仿真效果圖

本文所用的虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)建方式是在Intel i7?6700K CPU，NVIDIA GeForce GTX 1080顯卡的PC機(jī)，以3ds MAX 2016，OpenGL圖形庫為基礎(chǔ)，采用VC++ 2016作為開發(fā)環(huán)境，構(gòu)建虛擬云。

自然界云無論是靜止形態(tài)，還是其受溫度和濕度影響而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)變化都相當(dāng)復(fù)雜；并且在對云進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬時(shí)，還要考慮光線在云體內(nèi)交互作用而產(chǎn)生的視覺效果。為了模擬不同情況下的云，本文首先通過對一天中不同時(shí)刻的云進(jìn)行仿真，達(dá)到理想的仿真效果如圖2所示。

云不僅多變，而且由于粒子不斷的活動(dòng)，不同種類的云形態(tài)多樣。通常情況下，根據(jù)云的外形特征、結(jié)構(gòu)以及成因劃分成若干類。本文選取了卷云、卷積云、層云、高層云、雨層云、積雨云、層積云、積云、高積云、卷層云10種具有代表性的云進(jìn)行仿真。

3 編程實(shí)現(xiàn)

利用3ds MAX 2016和AE制作天氣特效，可實(shí)現(xiàn)更完整逼真的環(huán)境模擬，具體步驟如下：

1） 安置攝像機(jī)追蹤，在3ds MAX中設(shè)置好天氣背景。創(chuàng)建一個(gè)巨大的球體模擬天空。

2） 給天空球體貼晴天，多云，陰天的HDR環(huán)境貼圖，模擬出不同氣候的天空背景景色。設(shè)置渲染，導(dǎo)出視頻。

3） 進(jìn)入AE，項(xiàng)目窗口導(dǎo)入視頻動(dòng)畫，將動(dòng)畫拖入新的合成場景中使形成與視頻尺寸相同的場景。添加色彩校正中的“曲線”效果，調(diào)整曲線參數(shù)，對不同天氣的畫面進(jìn)行色彩調(diào)節(jié)并加關(guān)鍵幀使畫面色彩自然，再添加色相和飽和度效果，調(diào)整畫面色彩飽和度，分別創(chuàng)造出晴天、陰天、雨雪天氣氛，如圖13所示。

4） 在陰天效果的基礎(chǔ)上，新建個(gè)solid，利用fractal noise效果制造烏云，混合模式改成screen ，并將fractal noise的evolution添加動(dòng)畫使云彩動(dòng)起來，雨天效果通過cc rain 效果來實(shí)現(xiàn)，雨水落地形成的水洼利用Simulation中的wave world模擬出一圈圈的擴(kuò)散效果，水波紋利用fractal noise效果將fractal type改為dynamic 再加一個(gè)invert反向效果，如圖14所示。

5） 雪天天氣效果的制作。新建一個(gè)固態(tài)層，吸取一個(gè)類似雪的顏色，借此來營造出雪的氛圍。

6） 新建一個(gè)調(diào)節(jié)層，加上vibrance，強(qiáng)調(diào)畫面的灰度感。

7） 再建立一個(gè)固態(tài)層。使用特效面板上的paticlular，將position xy位置調(diào)出畫面上方，particles/s每秒發(fā)射數(shù)量增加，再調(diào)節(jié)粒子的大小，隨機(jī)值，physics中Air屬性中的wind x，wind y分別增加，發(fā)射類型改變?yōu)閎ox，velocity降低，使粒子速度降低，有下雪的效果，gravity降低，使粒子自然落下，并將affect position增大，使粒子發(fā)射不規(guī)則，將粒子壽命life值添加動(dòng)畫使在最后一幀壽命為零，使雪自然停止，如圖15所示。

4 結(jié) 語

本文基于3ds MAX 2016和OpenGL進(jìn)行了虛擬云的建模與仿真，結(jié)合VC++ 2016的程序編寫，運(yùn)用了軟件平臺建模，對一天中不同時(shí)刻的云進(jìn)行模擬，選取卷云、卷積云、層云、高層云、雨層云、積雨云、層積云、積云、高積云、卷層云作為代表，實(shí)現(xiàn)對不同種類云的仿真。通過仿真結(jié)果和相應(yīng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了本文模擬云方法的正確性和可行性，達(dá)到較為理想的三維云模擬仿真效果。

就目前而言，虛擬云所應(yīng)用的領(lǐng)域還有很大的提升空間，研究深度有待提高。對于云的虛擬仿真技術(shù)研究，不僅對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中物體模型技術(shù)的發(fā)展有著促進(jìn)作用，而且對大氣現(xiàn)象的研究以及各種仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用也有著一定的現(xiàn)實(shí)意義。本文模擬方法對于高要求的虛擬現(xiàn)實(shí)景物研究應(yīng)用來說，還有很大改良空間。今后的研究也將考慮不同地質(zhì)環(huán)境、風(fēng)速等因素對云模擬的影響。同時(shí)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)云模擬的真實(shí)感以及沉浸感，提高交互性，以達(dá)到更好的模擬仿真效果。

參考文獻(xiàn)

[1] WANG N. Realistic and fast cloud rendering [J]. Journal of graphics tools， 2004， 9（3）： 21?40.

[2] NEYRET F. Qualitative simulation of convective cloud formation and evolution [C]// Proceedings of Eurographics Workshop on Computer Animation and Simulation. Berlin： Springer?Verlag， 1997： 113?124.

[3] YU C M， WANG C M. An effective framework for cloud modeling， rendering， and morphing [J]. Journal of information science and engineering， 2011， 27（3）： 891?913.

[4] CHRISTOPHER I W， PAUL M D S， SAMUEL S R. Application of cellular automata approach for cloud simulation and rendering [J]. Chaos： an interdisciplinary journal of nonlinear science， 2014， 24（1）： 1?12.

[5] MACHADO E SILVA R， ESPERANCA C， MARROQUIM R， et al. Image space rendering of point clouds using the HPR operator [J]. Computer graphics forum， 2014， 33（1）： 178?189.endprint

[6] HOU W， GUO L. Virtual network embedding for hybrid cloud rendering in optical and data center networks [J]. Science China： information sciences， 2016， 59（2）： 1?14.

[7] BI Shuoben， BI Shengjie， ZENG Xiaowen， et al. 3?dimensional modeling and simulation of the cloud based on cellular automata and particle system [J]. International journal of geo?information， 2016， 5（6）： 86.

[8] LIU Y. Robust segmentation of raw point clouds into consistent surfaces [J]. Science China： technological sciences， 2016， 59（8）： 1156?1166.

[9] KR?MER M， ROLF C， ANNA L， et al. A microphysics guide to cirrus clouds ? part 1： cirrus types [J]. Atmospheric chemistry & physics， 2015， 16（5）： 3463?3483.

[10] 張燦，梁文鋼.云能天的準(zhǔn)確識別研究[J].北京農(nóng)業(yè)，2014（24）：185?186.

ZHANG Can， LIANG Wengang. Research on accurate recognition of cloud， visibility， and weather [J]. Beijing agriculture， 2014（24）： 185?186.

[11] ZHANG Y， CHEN H， YU R. Simulations of stratus clouds over Eastern China in CAM5： sources of errors [J]. Journal of climate， 2015， 28（1）： 36?55.

[12] FEOFILOV A G， STUBENRAUCH C J， DELANOE J. Ice water content vertical profiles of high?level clouds： classification and impact on radiative fluxes [J]. Atmospheric chemistry and physics， 2015， 15（21）： 12327?12344.

[13] BLYTH A M， BENNETT L J， COLLIER C G. High?resolution observations of precipitation from cumulonimbus clouds [J]. Meteorological applications， 2015， 22（1）： 75?89.

[14] 郭準(zhǔn)，周天軍.一個(gè)改進(jìn)的診斷層積云方案及其對大氣環(huán)流模式性能的改進(jìn)[J].中國科學(xué)地球科學(xué)，2014，44（5）：1034?1048.

GUO Z， ZHOU T J. An improved stratocumulus scheme based on estimated inversion strength and its performance in GAMIL2 [J]. Science China： earth sciences， 2014， 44（5）： 1034?1048.

[15] HEIBLUM R H， ALTARATZ O， KOREN I， et al. Characterization of cumulus cloud fields using trajectories in the center of gravity versus water mass phase space. part 1： cloud tracking and phase space description [J]. Journal of geophysical research： atmospheres， 2016， 121（11）： 6336?6355.endprint