【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及计算机图形学图形渲染领域，尤其涉及一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法及系统。
技术介绍
1、基于真实自然场景进行实时建模和绘制是基于数字孪生技术构建高仿真场景的热点和难点之一。在各种虚拟自然景物中，雪天视景虚实映射的效果对于自然场景的真实再现起着不可或缺的作用。
2、目前已公开的实现雪天视景构建的技术方案主要分为两种：一种是基于粒子系统在三维场景中生成雪花粒子飘动的效果，但基于粒子系统需要在三维场景很大范围内生成成千上万的雪花物体，严重影响三维场景的渲染效率；另一种是基于屏幕后处理生成白色圆点向下飘落的效果，但目前公开的技术方案中只是简单地实现v方向的移动，导致整体飘雪效果非常单调，不真实，没有模拟出立体场景中的纵深感以及雪花飘落的随机变化性，另外不能根据实际雪天的雪量、风速等变量实时改变雪天视景效果，不符合真实模拟的预期。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法及系统，以解决现有技术中虚拟场景对雪天自然视景虚实映射影响渲染效率、效果僵硬、仿真效果不真实，无法达到数字孪生中自然视景实时高仿真还原的问题。
2、第一方面，本专利技术提供一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，包括以下步骤：
3、s1：根据真实场景在三维引擎1：1等比例还原虚拟场景，得到屏幕图像以及屏幕图像纹理采样坐标uv；
4、s2：读取并存储虚拟场景对应真实地理区域的实际天气数据，包括是否有雪
5、s3：设定虚拟层级，该虚拟层级用于控制不同虚拟层级雪花大小、飘落速度等数据模型的基础，旨在通过视觉的视差进行绘制从而形成雪花飘落的空间纵深感；
6、s4：基于s2所获取的真实天气数据和s3所设定的虚拟层级，孪生控制雪花在不同虚拟层级的大小、数量、降落速度，并绘制输出；
7、s5：将s1的屏幕图像与s4绘制输出的图像进行效果叠加绘制，实现雪天视景的构建以及渲染效果的增强和优化。
8、进一步地，所述s4具体包括：
9、s41：构建屏幕图像纹理采样坐标缩放数学模型，以获取缩放后的纹理采样坐标uv1=uv*(1.0+虚拟层级*调节系数)，其中，uv为屏幕图像纹理采样坐标，调节系数为自定义项。
10、s42：基于s41获取的纹理采样坐标uv1以及构建的纹理坐标采样水平偏移数学模型，实现纹理采样坐标uv1在不同虚拟层级不同风向的水平随机偏移，以使雪花能够根据虚拟层级和风向呈现水平随机飘动效果；纹理采样偏移根据不同虚拟层级进行随机扰动，并根据风向实现偏移方向的修正；
11、s421：基于不同虚拟层级所生成的0~1的随机数，以及纹理采样坐标uv1的初始u偏移值，计算出纹理采样坐标uv1在不同虚拟层级的水平随机偏移值，最终实现不同虚拟层级对纹理采样坐标uv1在水平方向的随机扰动；其计算公式为：初始u偏移值*mod（虚拟层级*层级扰乱参数，1.0），其中，层级扰乱参数为任意带小数的常数；
12、s422：基于不同虚拟层级所生成的-1~1的随机数、不同风向，以及纹理采样坐标uv1的初始u偏移值，计算出纹理采样坐标uv1在不同风向及不同虚拟层级的水平随机偏移值，最终实现不同风向及不同虚拟层级对纹理采样坐标uv1在水平方向的随机扰动；其计算公式为：初始u偏移值*风向=1？clamp（sin（场景运行时间+虚拟层级），0,1）：clamp（sin（场景运行时间+虚拟层级），-1,0）。
13、s43：基于降雪速度、虚拟层级以及构建的纹理坐标采样垂直速度数学模型，实现纹理采样坐标uv1在不同虚拟层级的垂直随机偏移，以使雪花能够根据降雪速度和虚拟层级呈现垂下飘落效果；具体计算方式为：初始v偏移值*降雪速度*系统运行时间/（虚拟层级*层级调节系数）；其中，层级调节系数为自定义项。
14、s44：基于纹理采样坐标uv1、虚拟层级、降雪量和常数扰动矩阵构建雪花随机半径模型，以获得不同大小的雪花视觉效果，具体过程包括：
15、s441：基于纹理采样坐标uv1和虚拟层级生成调节向量1，调节向量1=vec3(floor(uv1),调节参数+虚拟层级)；其中，所述调节参数为自定义数值；
16、s442：构建常数扰动矩阵；
17、s443：基于常数扰动矩阵和调节变量1生成调节向量2，调节向量2=（调节参数+调节向量1）/（常数扰动矩阵*uv1）；
18、s444：基于纹理采样坐标uv1和调节向量2生成雪花随机半径，随机半径=降雪量*（mod（uv1，1.0）+调节向量2）。
19、s45：基于虚拟层级和场景运行时间构建uv1中心点透明度模型，具体计算方法为：uv1中心点透明度=初始边缘透明度+初始边缘透明度*min(初始边缘透明度*(虚拟层级-调节常数-sin（场景运行时间)）,1.0);其中，初始边缘透明度为0.1-1.0初始设定值，调节常数为自定义数值。
20、s46：基于s44生成的随机半径对s45生成的uv1中心点透明度进行平滑渐变绘制，进一步根据随机半径与虚拟层级进行随机，从而根据不同层级绘制出非常自然丰富的雪花形态。具体绘制计算过程为：（uv1中心点透明度*随机半径-uv1中心点透明度*（1-随机半径））*（随机半径/虚拟层级）；其中，1是随机半径的最大取值。
21、一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的系统，包括：
22、三维场景模块，用以根据真实场景在三维引擎1：1等比例还原虚拟场景，得到屏幕图像以及屏幕图像纹理采样坐标uv；
23、数据处理模块，用以读取并存储虚拟场景对应真实地理区域的实际天气数据，包括是否有雪、降雪速度、降雪量、风向、风速等；
24、虚拟层级模块，用以设定虚拟层级，该虚拟层级用于控制不同虚拟层级雪花大小、飘落速度等数据模型的基础，旨在通过视觉的视差进行绘制从而形成雪花飘落的空间纵深感；
25、渲染绘制模块，用以基于所获取的真实天气数据和所设定的虚拟层级，孪生控制雪花在不同虚拟层级的大小、数量、降落速度，并绘制输出；
26、实时渲染模块，用以将屏幕图像与绘制输出的图像进行效果叠加绘制，实现雪天视景的构建以及渲染效果的增强和优化。
27、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
28、1、利用计算机图形学实现了自然视景雪天自然动态，有空间纵深感的飘雪自然效果模拟，效果真实流畅，有纵深感，克服了现有模拟雪天自然视景影响场景渲染效率，真实度低的问题，提高了虚拟世界雪天自然视景的真实表现力。
29、2、对真实场景进行孪生，能够在虚拟场景循序渐进地呈现雪天自然视景的效果，同时能够让人不需要观看降雪量等相关数据，即可以通过视觉判定降雪的大小、风向等，真实度高，增加虚拟场景的表现力和代入感。
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1.一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，所述S4具体步骤包括：
3.如权利要求2所述的一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，所述S42具体方法如下：
4.如权利要求3所述的一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，所述S421的计算公式为：
5.如权利要求3所述的一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，所述S422的计算公式为：
6.如权利要求2所述的一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，所述S43中：
7.如权利要求2所述的一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，所述S44具体方法如下：
8.如权利要求2所述的一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，所述S45中：
9.如权利要求2所述的一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，所述S46中：<...
【技术特征摘要】
1.一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，所述s4具体步骤包括：
3.如权利要求2所述的一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，所述s42具体方法如下：
4.如权利要求3所述的一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，所述s421的计算公式为：
5.如权利要求3所述的一种基于图形学的自然视景构建及增强优化的方法，其特征在于，所述s422的计算公式为：
...【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，贺业凤，邢迎伟，吕彦莹，
申请(专利权)人：山东捷瑞数字科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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