一种基于自适应远场网格的三维云模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自适应远场网格的三维云模拟方法，首先，对与云相关的WRF数据进行预处理，并利用粒子系统进行初步建模；其次，使用切片法通过粒子浓度获取建模空间的感兴趣区域；然后，自适应生成最佳的远场网格结构并应用于模拟空间；最后，保留远场网格线上的粒子实现三维云图绘制。本发明专利技术根据WRF气象数据进行建模，并结合自适应远场网格结构提升云图的渲染效率，绘制三维云图，逼真地展示气象数据中的三维云场景，且生成的云图更具有物理意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应远场网格的三维云模拟方法
本专利技术属于计算机图形建模与仿真和气象学领域，具体涉及一种基于自适应远场网格的三维云模拟方法。
技术介绍
云是自然景观的重要组成部分，是天空中不可或缺的元素。由于云具有复杂的结构，变化多端的动力学特征以及特殊的光照效果，使得云的模拟成为计算机图形学和气象学领域的研究热点和研究难点。随着计算机模拟技术的不断发展和提高，越来越多的云模拟方法被提出，生成的云图也逐渐具备真实性和逼真度。近年来，基于真实气象数据的模拟方法受到了越来越多的关注，成为一个新的方向。这些方法绘制出的云包含与大气相关的实际属性，具有较强的气象学意义，且生成的图像逼真。这种云图常用于天气分析领域，让研究人员更加直观地了解云系特征，而不用面对复杂的参数。这种云图同样应用于军事仿真系统，尤其是飞行仿真当中，用于模拟飞行器穿过云层的效果，并从各个角度观测云层。但现有的云模拟方法有以下缺点：一部分方法模拟出来的云只注重视觉逼真的效果，生成的云没有物理意义；而应用真实气象数据进行云模拟的方法普遍存在建模复杂度高，渲染效率低等问题。因此，需要一种兼顾逼真度与真实性的三维云模拟方法，适用于各种虚拟应用场景。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供一种逼真的可适应各种复杂的虚拟应用场景的自适应远场网格的三维云模拟方法。技术方案：本专利技术所述的一种基于自适应远场网格的三维云模拟方法，包括以下步骤：(1)对与云相关的气象数据进行预处理，并利用粒子系统进行初步建模；(2)使用切片法通过粒子浓度获取建模空间的感兴趣区域；(3)自适应生成最佳的远场网格结构并应用于模拟空间；(4)保留远场网格线上的粒子实现三维云图绘制。步骤(1)所述的粒子主要包括粒子位置、粒子纹理、粒子消光系数、粒子入射光强和粒子出射光强。所述步骤(1)包括以下步骤：(11)依据气象数据中的质量比参数计算出模拟空间网格点处的消光系数；(12)将消光系数与阈值进行比较判定网格点是否有云，有云分配粒子，没有云不分配粒子；(13)获得包含云粒子的建模空间。所述步骤(2)包括以下步骤：(21)为建模空间建立空间直角坐标系，以WRF数据的水平分辨率δh为步长，向x,y正方向，作切片；(22)计算切片截面的粒子浓度：其中，n为切片截面上的粒子数，N为切片上的网格点总数；(23)将所有截面粒子浓度进行升序排序，根据设定的阈值将所有粒子浓度大于阈值的截面记作1，否则记作0；(24)找到所有两个截面都为1的切片，进行标记；(25)在垂直于z轴的表面，可以找到一些x轴方向的标记切片与y轴方向的标记切片的相交区域，取最大相交区域为最终的感兴趣区域。所述步骤(3)包括以下步骤：(31)维持感兴趣区域内的精细分辨率；(32)对感兴趣区域外的网格进行拓展：2i-1δh(i＝1，2…，M)其中，i表示单元格的拓展次数，δh表示感兴趣区域精细单元格的边界长度，M为用户设定的拓展到最粗糙网格时i的值。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、使用远场网格结构，可以维持感兴趣区域的精细分辨率，并同时拓展感兴趣区域周围的网格大小以减少代表少云、无云区域的非感兴趣区域的粒子浓度以提升渲染效率；2、使用真实的气象数据进行建模，使得生成的云图更具有物理意义，能更好地展示真实云的形态和结构特性。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为自适应远场网格的结构图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。图1为本专利技术的流程图，具体步骤如下：(1)对与云相关的WRF数据进行预处理，并利用粒子系统进行初步建模首先获取WRF(气象数据)中与云相关的数据参量，主要包括：云、冰、雨、雪、霰等水汽质量比，利用这些质量比结合云对光线的吸收特性计算出每种粒子的消光系数，并计算这些消光系数的加权和以获取网格点处的消光系数。然后根据消光系数的数值与阈值进行比较，判定网格点是否含云。针对WRF数据的特点，使用粒子系统对数据进行初步建模。每个粒子包含：粒子位置、粒子纹理、粒子消光系数、粒子入射光强和粒子出射光强。消光系数反映了网格点对光线的影响程度，即是否有云。消光系数小于阈值的点，对光线几乎没有影响，假设这类网格点处不含有云，不为其分配粒子；对于其他的点，都为其分配一个粒子。由于WRF数据使用的是规则的笛卡尔网格，为模拟空间绘制矩形边界，在分配粒子之后可以获得一个包含所有云粒子的均匀长方体边界框，粒子位于网格线交点处。(2)使用切片法通过粒子浓度获取建模空间的感兴趣区域本专利技术将云系最为集中的区域，定义为云图的感兴趣区域。应用自适应远场网格，就要检测出感兴趣区域。为此本专利技术提出了一种根据云粒子浓度切片检测感兴趣区域的方法。在步骤(1)中已经获得了一个包含所有云粒子的均匀长方体边界框，即建模空间，但这个空间中的粒子并不是均匀分布的，因为那些消光系数小于阈值的点并未分配粒子，因此想要找到云的集中区域，只要找到粒子浓度最高的区域即可。在长方体边界框建立直角坐标系，以WRF数据的水平分辨率δh为步长，向x,y正方向，作切片，假设WRF数据网格点数为a*b*c，一共可以得到a+b-2个切片；由于只有切片的截面上才有粒子，因此直接计算切片截面的粒子浓度，一共需要计算a+b次，计算公式如下：其中n为切片截面上的粒子数，N为切片上的网格点总数；将所有截面粒子浓度进行升序排序，根据设定的阈值将所有粒子浓度大于阈值的截面记作1，否则记作0；找到所有两个截面都为1的切片，进行标记；在垂直于z轴的表面，可以找到一些x轴方向的标记切片与y轴方向的标记切片的相交区域，取最大相交区域为最终的感兴趣区域。(3)自适应生成最佳的远场网格结构并应用于模拟空间通过步骤(2)获得了数据的感兴趣区域，接下来就要生成最佳的网格结构并应用于模拟空间。远场网格结构动态地拓展精细均匀网格周围的网格大小，同时维持感兴趣区域的精细分辨率，并且允许有效地模拟更大的区域。如图2所示，黑色方框内区域为感兴趣区域。感兴趣区域使用精细的均匀笛卡尔网格，并且单元格的边界长度为δh。对于感兴趣区域周围的单元格，使用以下方式进行拓展：2i-1δh(i＝1，2…，M)其中i表示单元格的拓展次数，δh表示感兴趣区域精细单元格的边界长度，M为用户设定的拓展到最粗糙网格时i的值。对于最精细网格和最粗糙网格之间的区域，网格边界长度随着与边界的垂直距离而线性变化。此时，已经将远场网格结构应用到建模空间当中了。(4)保留远场网格线上的粒子实现三维云图绘制由于非感兴趣区域的粒子大部分位于无云或者云密度较小的区域，删除这些粒子不会对重要的云系产生影响。因此仅保留远场网格线上的粒子，删除不在网格线上的粒子，并使用抛雪球技术和纹理映射进行粒子的渲染，最终完成三维云图的绘制。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自适应远场网格的三维云模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对与云相关的气象数据进行预处理，并利用粒子系统进行初步建模；(2)使用切片法通过粒子浓度获取建模空间的感兴趣区域；(3)自适应生成最佳的远场网格结构并应用于模拟空间；(4)保留远场网格线上的粒子实现三维云图绘制。

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应远场网格的三维云模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对与云相关的气象数据进行预处理，并利用粒子系统进行初步建模；(2)使用切片法通过粒子浓度获取建模空间的感兴趣区域；(3)自适应生成最佳的远场网格结构并应用于模拟空间；(4)保留远场网格线上的粒子实现三维云图绘制。2.根据权利要求1所述的一种基于自适应远场网格的三维云模拟方法，其特征在于，步骤(1)所述的粒子主要包括粒子位置、粒子纹理、粒子消光系数、粒子入射光强和粒子出射光强。3.根据权利要求1所述的一种基于自适应远场网格的三维云模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：(11)依据气象数据中的质量比参数计算出模拟空间网格点处的消光系数；(12)将消光系数与阈值进行比较判定网格点是否有云，有云分配粒子，没有云不分配粒子；(13)获得包含云粒子的建模空间。4.根据权利要求1所述的一种基于自适应远场网格的三维云模拟方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢永华，朱超凡，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32