基于元胞自動機的自然云模擬.pdf

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

2、了改進研究。本文的研究內(nèi)容主要包括:
　　1.基于元胞自動機的云的建模
　　通過對元胞自動機模型的研究，利用其簡單、高效等的特點，結(jié)合云的物理現(xiàn)象，將元胞自動機應(yīng)用于自然云的建模中，初步實現(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機的云的狀態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)則，該規(guī)則以真實世界中云的特征轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)，對云的產(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)物理方程研究了動態(tài)的自然云

3、實現(xiàn)方法。
　　在對流體力學(xué)中關(guān)于描述像云這種無規(guī)則物體等方面有了一定的研究的基礎(chǔ)上，提取出影響云的運動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機模型對云的動態(tài)現(xiàn)象進行模擬的方法。該方法能夠結(jié)合自然云運動的物理原理，使用元胞自動機的狀態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)則進行實現(xiàn)，有助于提高模擬的真實感。在真實世界中，云的高度會對風(fēng)的大小產(chǎn)生影響，從而影響其被動的運動；而外界環(huán)境中的濃度，溫度以及產(chǎn)生的對流擴散等都會使其發(fā)生內(nèi)部的擾動變化。在數(shù)學(xué)

4、物理方程中，對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)建出基于元胞自動機模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)則，使得云的動態(tài)模擬即具有真實性，又不失速度。
　　3.對自然云的光照渲染進行了深入的研究
　　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。將云看成一個個小粒子，各個粒子所接受到的光線以及由此產(chǎn)生的反射、散射等現(xiàn)象會產(chǎn)生相互影響，并進一步影響所接受到的光線的強度，因此

5、，光線在云中的傳播是一個復(fù)雜而反復(fù)的過程。在光線傳播的簡化過程中，產(chǎn)生了多重散射和單向散射兩種理論。在本文的研究過程中，在不失真實性的前提下，將其進一步簡化，采用前向為主的多重散射和單向散射相結(jié)合的方法進行光線的渲染。在光線由光源傳播到云的過程中，采用前向為主的多重散射模型，即真實的表現(xiàn)出了光線在云中的各種傳播路徑，又由于對其產(chǎn)生的極小影響的光線進行了弱化忽略，提高了計算速度；在計算光線由云團傳播到視角的過程中，采用單向散射技術(shù)，滿足了