三維場(chǎng)景中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)云彩繪制方法

1、摘要：本文一種介紹了在三維虛擬場(chǎng)景中實(shí)時(shí)繪制動(dòng)態(tài)的云彩方法，在室外場(chǎng)景中云彩是提供 三維真實(shí)感的重要圖素之一，由于云彩變化多端，形狀多樣，沒有規(guī)則，完全逼真實(shí)時(shí)地繪 制云彩幾乎是不可實(shí)現(xiàn)的，常見的云彩繪制方法是使用天空體貼圖1，2，但天空體貼圖的 繪制方法逼真度較差，云彩缺乏層次感和變化，本文設(shè)計(jì)了用多層公告板動(dòng)態(tài)模擬云彩的方 法，實(shí)踐中效果較好。關(guān)鍵詞：三維場(chǎng)景，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，云彩繪制，公告板前言云彩是三維室外模擬場(chǎng)景中獲得真實(shí)感的重要圖素，由于云彩的多變，形狀無規(guī)則，用 普通的多邊形和粒子系統(tǒng)描述云彩幾乎是不可實(shí)現(xiàn)的，這樣會(huì)產(chǎn)生數(shù)量巨大的多邊形，令 PC 級(jí)別的計(jì)算機(jī)無法實(shí)時(shí)繪制，當(dāng)前常見的云

2、彩繪制方法是使用天空體貼圖，天空體貼圖 實(shí)際上將天空簡(jiǎn)化成矩形體或球形體，人們?cè)诘厍蛏峡吹胶孟袷翘炜阵w的內(nèi)表面，通過將云 彩的照片直接貼在天空體的內(nèi)表面模擬天空效果，能夠產(chǎn)生一定逼真度的天空效果，突出優(yōu) 點(diǎn)是天空的模型很簡(jiǎn)單，可以提供很好的實(shí)時(shí)性，但由于云彩貼在一個(gè)表面上，缺乏距離層 次感和云彩之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)感容易被看出是一種平面云彩的效果，對(duì)要求較高的場(chǎng)合逼真度欠 佳，本文設(shè)計(jì)的云彩繪制方法從增加云彩的層次感和動(dòng)態(tài)感出發(fā)改進(jìn)了天空體的方法，實(shí)際 運(yùn)行中可以看出逼真度有大幅度提高，實(shí)時(shí)性仍然較好。1、天空體方法比較簡(jiǎn)單的天空體是矩形體，一個(gè)矩形體共有6 個(gè)面，扣除底面剩5個(gè)面，每個(gè)面分成 2 個(gè)

3、三角形，這樣一個(gè)天空只要處理 10 個(gè)三角形，實(shí)時(shí)性能很好，但矩形天空體在矩形的 邊角處的失真很大，圖 1 半球形天空的網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 可以非常明顯地看出邊角處由兩個(gè)垂直的平面構(gòu)成。比較好的天空體是用半球體，如圖1 所示，半球體的天空消除了平面角度 90 度突變，增加了真實(shí)感，但半球體需要由較多的 三角形構(gòu)成，實(shí)時(shí)性能稍差，在天空體上貼云彩照片后的效果如圖2，天空體生成的天空效 果如圖3圖 2 半球形天空體貼圖效果圖 3 天空體生成的天空效果 比較容易看出天空中的云彩好像位于同一個(gè)水平面上，天空顯得比較薄。2、多公告板方法天空體造成云彩逼真度較低的原因在于將云彩照片貼于一個(gè)接近平面的面上，僅用一個(gè)

4、面模擬具有很大范圍，具有深度層次感的天空，另外云彩照片是一個(gè)整體的大照片，云彩之 間的位置關(guān)系是靜止的，缺乏變化，只能給出一個(gè)靜止天空效果，這些和自然界的真實(shí)天空 都相距較大。本文根據(jù)天空體這些不足設(shè)計(jì)了由多公告板組成云彩群，可以天空體的一些固 有的缺點(diǎn)，公告板3是一種常用三維繪圖技術(shù)，主要用于模擬外形很復(fù)雜的物體，對(duì)于外 形很復(fù)雜的物體用多邊形模擬會(huì)產(chǎn)生大量的三角形嚴(yán)重降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，公共板技術(shù)指 用一個(gè)簡(jiǎn)單的平面矩形貼上復(fù)雜三 維物體的照片模擬三維物體，邊緣采用透明貼圖技術(shù)模 擬復(fù)雜三維物體的不規(guī)則邊緣，為了不讓觀察者看平面扁平的一側(cè)，公告板必須跟隨觀察視 線轉(zhuǎn)動(dòng)，讓觀察者只能看到平面

5、的正面，而不能看到側(cè)面，這樣公告板就能永遠(yuǎn)顯示復(fù)雜三 維物體的正面，具有模擬復(fù)雜三維物體的能力，比如三維場(chǎng)景中的樹木用公告板繪制效果就 比較好，如圖 4。圖 4 公告板示意圖由于云彩也是一種復(fù)雜的三維物體，因此也適合采用公告板繪制，為了表現(xiàn)逼真的云彩 效果本文設(shè)計(jì)了多公告板繪制動(dòng)態(tài)云彩的方法。首先，單塊云彩和云彩之間采用獨(dú)立的公告板，使云彩之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)尺寸變化 成為可能，由于單塊云彩采用獨(dú)立的公告板，而公告板位置可以獨(dú)立改變，因此通過公告板 位置之間自由設(shè)置，少量的單塊云彩可以通過組合生成復(fù)雜多樣，形狀不重合大量天空效果， 單塊云彩和云彩之間可以互相重疊一部分，通過顏色融合技術(shù)重疊的部

6、分不會(huì)被觀察者發(fā) 覺，程序?qū)崿F(xiàn)表明，只要有三個(gè)單塊云彩以上通過多公告板（公共板取128 個(gè)，可以重復(fù)使 用同一種云彩照片）的組合，顏色融合，尺寸放縮可以產(chǎn)生足夠多樣的天空，觀察者無法發(fā) 覺復(fù)雜的天空只是由少數(shù)幾塊云彩組成。單塊云彩照片可以從照片種挑選出來。圖 5 高程數(shù)據(jù)加入地形網(wǎng)格中其次，云彩在天空中的分布需要有一定的規(guī)律，由于云彩離地面有較高的高度，一般的 第一人稱三維場(chǎng)景是不能夠到云彩的，因此云彩要一直保持遠(yuǎn)離觀察者，考慮的三維場(chǎng)景的 實(shí)時(shí)性，一般程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)會(huì)人為地限制限制三維場(chǎng)景的范圍，如果按真實(shí)的比例和位置繪制 云彩，云彩的往往超出三維場(chǎng)景的限制范圍，得到的效果是三維場(chǎng)景中無法看到云

7、彩，因此 一般會(huì)采用非真實(shí)比例繪制云彩，云彩的高度較低，位置離觀察者較近，這樣帶來的問題是 觀察者較大范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)夠到云彩，這是很不真實(shí)的，即使是真實(shí)的情況，比如觀察者乘坐 在飛機(jī)上，但由于三維場(chǎng)景中云彩只是用公告板模擬的，如果觀察者離云彩過近就會(huì)發(fā)現(xiàn)云 彩實(shí)際是平面的，這樣的效果也會(huì)很差，因此程序中要避免觀測(cè)者接近云彩。本文的做法是 讓云彩總是分布在以觀察者為中心，一定半徑的一個(gè)上半球面上，觀察者改變位置時(shí)，云彩 也要更改位置，讓觀察永遠(yuǎn)無法接近云彩。圖 5 多公告板云彩示意圖 再次，由于云彩由獨(dú)立的公告板繪制，公告板的數(shù)量可以控制云彩的稠密程度，云彩的 稠密程度可以動(dòng)態(tài)更改，通過添加公告板或減少公告板即可實(shí)現(xiàn)，但是不能硬性添加和刪除 公告板，硬性添加和刪除公告板帶來的視覺效果是云彩的突然出現(xiàn)和消失，這是不符合自然 規(guī)律的。軟性添加和刪除公告板的方法是通過設(shè)置公告板的透明度，在公告板出現(xiàn)和消失的 過程中令公告板從完全透明到不透明漸變，可以消除云彩突然出現(xiàn)和消失的現(xiàn)象，獲得比較