一种真实感冰型的渲染方法技术

本发明专利技术适用于风洞试验技术领域，提供了一种真实感冰型的渲染方法，包括步骤：读取冰型数据和飞行器数据获得初始冰型片元集和初始飞机片元集，将初始冰型片元集和初始飞机片元集合并得到初始片元集，采用初始片元集进行BVH树构建；通过对BVH树进行两次遍历后获得重组片元集，重组片元集的数据形式为结构体数组；构建像素着色器，像素着色器中设置有摄像机，摄像机设置于世界坐标系中，片元集位于世界坐标系中；摄像机发射初始光线，对初始光线与片元集进行求交，通过光线追踪在所述像素着色器中获得冰型图像。本发明专利技术的真实感冰型的渲染方法，具有高质量的渲染效果，和高效的实时渲染性能，能够任意的旋转缩放而不出现掉帧的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种真实感冰型的渲染方法
本专利技术涉及风洞试验
，尤其是涉及一种真实感冰型的渲染方法。
技术介绍
为了对飞行器结冰现象进行研究，研究人员常常采用基于计算流体动力学（以下简称：CFD）的数值模拟方法来模拟飞行器结冰过程和结冰结果。冰型数据往往含有多种物理特征，包括冰层厚度，冰体类别等等，这些特征在飞行器结冰现象研究中起着重要的作用。冰型可视化是CFD研究过程中的一个重要环节，要求系统编写者呈现一个高质量的冰型渲染结果。高质量的冰型渲染方法，有助于相关研究人员更方便、更有效地对飞行器冰型状况进行研究。飞行器结冰的常见冰体类别主要有三种，其形成条件和对飞行器产生的危害各不相同，是在CFD数据可视化过程中最重要的特征之一。第一种结冰种类为霜冰，是指冷水滴接触飞行器表面还没来得及扩散就完全凝结的冰，易被除冰装置去除，危害相对较小；第二种冰型为明冰，是较大液态水撞击飞行器表面，在移动过程中缓慢凝结的，危害较大；第三种为混合冰，前缘驻点中心为明冰，后部则为毛冰冰羽，危害程度不亚于明冰。不同结冰类型和冰体外形的高质量渲染，对于飞行器结冰现象的研究具有重要意义。随着CFD模拟的需求不断加深，模拟数据的不断细化和增加，对渲染过程的效率和渲染结果的真实感有了更高的要求。自20世纪90年代以来，传统的3D渲染通常会采用一种被称为光栅化的流程。光栅化使用基于三角形或多边形网格创建的对象来构建物体的3D模型。然后渲染管线将3D模型的每个三角形转换成2D图像平面上的像素。这些像素最终在屏幕上显示之前，还可能会被进一步处理或“着色”。虽然光栅化对于实时生成图像非常有效，但为光栅化管线添加逼真的光照效果会使复杂性提升，因此就需要基于给定场景手动进行许多参数调整。要想维持良好的性能，通常需要通过剪切或处理掉不可见的一些物体面，或进行估计，这可能会影响整体的逼真感。现有可视化渲染方法多采用光栅化（Rasterization）渲染，又称栅格化或像素化，即把矢量图形转化成像素点儿的过程，具有将图转化为一个个栅格组成的图象的作用，特点是每个元素对应帧缓冲区中的一像素。先计算多边形或三角形顶点的坐标变换，然后在多边形或三角形内填充纹理(同样是经过坐标变换)，同时每个填充点也可以经过fragmentshader计算来实现各种效果。光栅化其实是一种将几何图元变为二维图像的过程。该过程包含了两部分的工作。第一部分工作：决定窗口坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元占用；第二部分工作：分配一个颜色值和一个深度值到各个区域，光栅化过程产生的是片元。栅格化渲染的图形难以获得更有效、更细节的图像信息。冰型与飞行器外壳数据较为庞大，光线追踪过程的渲染速度和数据维护对模拟结果具有重要的影响，同时目前的光线追踪过程较为复杂，增加了运算过程中的数据量。目前BVH树数据在像素着色器无法实现指针功能，也不能实现在循环中改变循环变量的常规循环功能，使得BVH树数据无法导入像素着色器，在光栅化渲染管线下的像素着色器中使用BVH数据结构进行光追操作。综上所述，现有技术存在的技术问题如下：1.现有技术中对冰型渲染主要通过栅格化渲染等其他方式，获得颜色不同和/或颜色深浅不同的冰型，以区分不同冰型，这种冰型渲染仅能满足常规CFD模拟中区分不同冰型的需求，但随着对飞行器CFD模拟数据探究的进一步细化和增加，无法满足CFD模拟对冰型渲染过程中的渲染效率和渲染真实感的更高要求，因此，冰型渲染图像信息的有效性和细节性，对CFD模拟等后续研究具有重要的意义；2.冰型与飞行器外壳数据较为庞大，光线追踪过程的渲染速度和数据维护对模拟结果具有重要的影响，同时现有的光线追踪过程较为复杂，增加了运算过程中的数据量，急需解决光线追踪过程中渲染速度和数据维护速度等实际问题；3.目前BVH树数据在像素着色器无法实现指针功能，也不能实现在循环中改变循环变量的常规循环功能，使得BVH树数据无法导入像素着色器，在光栅化渲染管线下的像素着色器中使用BVH数据结构进行光追操作。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种真实感冰型的渲染方法，具有高质量的渲染效果，和高效的实时渲染性能，能够任意的旋转缩放而不出现掉帧。本专利技术提供了一种真实感冰型的渲染方法，包括以下步骤：步骤S10：读取冰型数据和飞行器数据获得初始冰型片元集和初始飞机片元集，将初始冰型片元集和初始飞机片元集合并得到初始片元集，采用所述初始片元集进行BVH树构建；通过对所述BVH树进行两次遍历后获得重组片元集，所述重组片元集的数据形式为结构体数组，所述结构体数组由多个数组元素组成，每个数组元素均具有数组元素下标，通过DFS算法获得每个数组元素的下标；步骤S20：构建像素着色器，所述像素着色器中设置有摄像机，所述摄像机设置于世界坐标系中，所述重组片元集位于所述世界坐标系中；步骤S30：所述摄像机发射初始光线，对所述初始光线与所述重组片元集进行求交，通过光线追踪在所述像素着色器中获得冰型图像。进一步的，步骤S10中，结构体数组对所述BVH树进行第一次遍历时，当前数组元素下标加一为命中索引数组元素的下标，所述当前数组元素为DFS算法正在遍历的数组元素。进一步的，步骤S10中，结构体数组对所述BVH树进行第二次遍历时，通过所述DFS算法标记父亲节点和右兄弟节点，除根节点外，当所述当前数组元素存在右兄弟节点时，未命中索引数组元素为右兄弟节点，否则未命中索引数组元素为父亲节点中的未命名索引数组元素，根节点的未命中索引数组元素直接指向END。进一步的，步骤S30中，所述光线追踪的具体步骤包括：判断所述初始光线与所述重组片元集是否相交；若相交，则得到冰型颜色；若不相交，则得到背景颜色；所述冰型图像包括所述冰型颜色和所述背景颜色。进一步的，若所述初始光线与所述重组片元集相交，则将所述初始光线通过法线贴图渲染得到反射颜色和折射颜色，将逃逸颜色和所述冰内颜色按照第一混合比混合得到混合颜色，所述逃逸颜色通过对重组飞机片元集进行Blinn-Phong模型求解得到，将所述反射颜色和所述混合颜色按照第二混合比混合得到冰型颜色。进一步的，所述法线贴图为灰度噪声贴图，具体步骤包括：求取梯度和读取纹理，求取梯度时叠加三个倍频进行处理，读取纹理时采用三向贴图进行纹理采样。进一步的，步骤S10中，所述重组片元集包括多个冰型单片元和多个飞机单片元，所述BVH树的构建步骤包括：首先对所述重组片元集求取大包围盒，然后以二叉树的形式将大包围盒递归划分为两个子包围盒，再以二叉树形式递归划分两个子包围盒，直到每个子包围盒中BVH树的节点只剩一个片元，则该片元为叶子节点，其余片元为非叶子节点。进一步的，所述包围盒为AABB包围盒、SPHERE包围盒、OBB包围盒、8-DOP包围盒、CONVEXHULL包围盒和FDH固定方向包围盒中的一种或多种。进一步的，所述非叶子节点的求交结构通过所述初始光线是否与包围盒边界求交进行判断；叶子节点的求交结果通过MöllerTrumbore本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种真实感冰型的渲染方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S10：读取冰型数据和飞行器数据获得初始冰型片元集和初始飞机片元集，将初始冰型片元集和初始飞机片元集合并得到初始片元集，采用所述初始片元集进行BVH树构建；通过对所述BVH树进行两次遍历后获得重组片元集，所述重组片元集的数据形式为结构体数组，所述结构体数组由多个数组元素组成，每个数组元素均具有数组元素下标，通过DFS算法获得每个数组元素的下标；/n步骤S20：构建像素着色器，所述像素着色器中设置有摄像机，所述摄像机设置于世界坐标系中，所述重组片元集位于所述世界坐标系中；/n步骤S30：所述摄像机发射初始光线，对所述初始光线与所述重组片元集进行求交，通过光线追踪在所述像素着色器中获得冰型图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种真实感冰型的渲染方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10：读取冰型数据和飞行器数据获得初始冰型片元集和初始飞机片元集，将初始冰型片元集和初始飞机片元集合并得到初始片元集，采用所述初始片元集进行BVH树构建；通过对所述BVH树进行两次遍历后获得重组片元集，所述重组片元集的数据形式为结构体数组，所述结构体数组由多个数组元素组成，每个数组元素均具有数组元素下标，通过DFS算法获得每个数组元素的下标；
步骤S20：构建像素着色器，所述像素着色器中设置有摄像机，所述摄像机设置于世界坐标系中，所述重组片元集位于所述世界坐标系中；
步骤S30：所述摄像机发射初始光线，对所述初始光线与所述重组片元集进行求交，通过光线追踪在所述像素着色器中获得冰型图像。


2.如权利要求1所述的一种真实感冰型的渲染方法，其特征在于，步骤S10中，结构体数组对所述BVH树进行第一次遍历时，当前数组元素下标加一为命中索引数组元素的下标，所述当前数组元素为DFS算法正在遍历的数组元素。


3.如权利要求2所述的一种真实感冰型的渲染方法，其特征在于，步骤S10中，结构体数组对所述BVH树进行第二次遍历时，通过所述DFS算法标记父亲节点和右兄弟节点，除根节点外，当所述当前数组元素存在右兄弟节点时，未命中索引数组元素为右兄弟节点，否则未命中索引数组元素为父亲节点中的未命名索引数组元素，根节点的未命中索引数组元素直接指向END。


4.如权利要求1所述的一种真实感冰型的渲染方法，其特征在于，步骤S30中，所述光线追踪的具体步骤包括：判断所述初始光线与所述重组片元集是否相交；若相交，则得到冰型颜色；若不相交，则得...

【专利技术属性】
技术研发人员：覃浩宇，王瑞林，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51