三維場景中的實時動態(tài)云彩繪制方法

1、摘要：本文一種介紹了在三維虛擬場景中實時繪制動態(tài)的云彩方法，在室外場景中云彩是提供 三維真實感的重要圖素之一，由于云彩變化多端，形狀多樣，沒有規(guī)則，完全逼真實時地繪 制云彩幾乎是不可實現(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，本文設計了用多層公告板動態(tài)模擬云彩的方 法，實踐中效果較好。關鍵詞：三維場景，實時動態(tài)，云彩繪制，公告板前言云彩是三維室外模擬場景中獲得真實感的重要圖素，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現(xiàn)的，這樣會產(chǎn)生數(shù)量巨大的多邊形，令 PC 級別的計算機無法實時繪制，當前常見的云

2、彩繪制方法是使用天空體貼圖，天空體貼圖 實際上將天空簡化成矩形體或球形體，人們在地球上看到好像是天空體的內(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) 點是天空的模型很簡單，可以提供很好的實時性，但由于云彩貼在一個表面上，缺乏距離層 次感和云彩之間相對運動感容易被看出是一種平面云彩的效果，對要求較高的場合逼真度欠 佳，本文設計的云彩繪制方法從增加云彩的層次感和動態(tài)感出發(fā)改進了天空體的方法，實際 運行中可以看出逼真度有大幅度提高，實時性仍然較好。1、天空體方法比較簡單的天空體是矩形體，一個矩形體共有6 個面，扣除底面剩5個面，每個面分成 2 個

3、三角形，這樣一個天空只要處理 10 個三角形，實時性能很好，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，增加了真實感，但半球體需要由較多的 三角形構(gòu)成，實時性能稍差，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接近平面的面上，僅用一個

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整體的大照片，云彩之 間的位置關系是靜止的，缺乏變化，只能給出一個靜止天空效果，這些和自然界的真實天空 都相距較大。本文根據(jù)天空體這些不足設計了由多公告板組成云彩群，可以天空體的一些固 有的缺點，公告板3是一種常用三維繪圖技術，主要用于模擬外形很復雜的物體，對于外 形很復雜的物體用多邊形模擬會產(chǎn)生大量的三角形嚴重降低系統(tǒng)的實時性能，公共板技術指 用一個簡單的平面矩形貼上復雜三 維物體的照片模擬三維物體，邊緣采用透明貼圖技術模 擬復雜三維物體的不規(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，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顯示復雜三 維物體的正面，具有模擬復雜三維物體的能力，比如三維場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 效果本文設計了多公告板繪制動態(tài)云彩的方法。首先，單塊云彩和云彩之間采用獨立的公告板，使云彩之間的相對運動和相對尺寸變化 成為可能，由于單塊云彩采用獨立的公告板，而公告板位置可以獨立改變，因此通過公告板 位置之間自由設置，少量的單塊云彩可以通過組合生成復雜多樣，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，通過顏色融合技術重疊的部

6、分不會被觀察者發(fā) 覺，程序?qū)崿F(xiàn)表明，只要有三個單塊云彩以上通過多公告板（公共板取128 個，可以重復使 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 第一人稱三維場景是不能夠到云彩的，因此云彩要一直保持遠離觀察者，考慮的三維場景的 實時性，一般程序?qū)崿F(xiàn)時會人為地限制限制三維場景的范圍，如果按真實的比例和位置繪制 云彩，云彩的往往超出三維場景的限制范圍，得到的效果是三維場景中無法看到云

7、彩，因此 一般會采用非真實比例繪制云彩，云彩的高度較低，位置離觀察者較近，這樣帶來的問題是 觀察者較大范圍運動時會夠到云彩，這是很不真實的，即使是真實的情況，比如觀察者乘坐 在飛機上，但由于三維場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發(fā)現(xiàn)云 彩實際是平面的，這樣的效果也會很差，因此程序中要避免觀測者接近云彩。本文的做法是 讓云彩總是分布在以觀察者為中心，一定半徑的一個上半球面上，觀察者改變位置時，云彩 也要更改位置，讓觀察永遠無法接近云彩。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 稠密程度可以動態(tài)更改，通過添加公告板或減少公告板即可實現(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