基于Vega的閃電渲染方法
時(shí)間：2009-06-13 17:33:00
來源：UltraLAB圖形工作站方案網(wǎng)站
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作者：admin
1 概述
閃電模擬一直是視景仿真[1]中一個(gè)的重點(diǎn)。目前關(guān)于閃電模擬的方法基本都是采用粒子系統(tǒng)[2]。使用粒子系統(tǒng)模擬閃電，就是實(shí)時(shí)控制每一個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)和變化，這樣粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡就構(gòu)成了閃電[3~4]。
視景仿真主要基于Vega進(jìn)行開發(fā)。Vega是美國Multi Gen-Paradigm公司用于虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)視景仿真、聲音仿真以及其他可視化領(lǐng)域的世界領(lǐng)先級視景開發(fā)軟件。Vega有自己的粒子系統(tǒng)，但是它沒有辦法進(jìn)行閃電模擬。Vega的粒子系統(tǒng)是封裝好的，用戶只要設(shè)定好粒子的數(shù)量、產(chǎn)生方式、各種速度(風(fēng)速、矢量速度和隨機(jī)速度等)、顏色和重力加速度，就可以使所有的粒子按照要求開始運(yùn)動(dòng)和變化。由于這樣的封裝，Vega的粒子系統(tǒng)使用起來非常方便，尤其是實(shí)現(xiàn)雨和雪模擬的時(shí)候，然而也是由于這樣的封裝，用戶只能知道整體粒子系統(tǒng)是按照什么方式工作的，根本不能得到單獨(dú)一個(gè)粒子的實(shí)時(shí)狀態(tài)和位置，因此使用Vega的粒子系統(tǒng)難以控制粒子模擬閃電。
現(xiàn)在，基于Vega的閃電模擬目前主要采用的是播放紋理技術(shù)，所謂播放紋理就是事先把閃電現(xiàn)象做成一系列的連續(xù)圖片，當(dāng)要產(chǎn)生閃電的時(shí)候，系統(tǒng)就高速播放這些連續(xù)的圖片，就像播放閃電動(dòng)畫一樣。然而這個(gè)技術(shù)存在很大的缺點(diǎn)：(1)因?yàn)槊看尾シ诺亩际峭瑯拥募y理圖片，所以閃電樣子單一；(2)當(dāng)閃電位置和大小變化的時(shí)候，都要對紋理圖片進(jìn)行縮放、變形，因此存在一定的失真；(3)由于閃電是紋理實(shí)現(xiàn)的，因此它無法實(shí)現(xiàn)因?yàn)殚W電顯現(xiàn)而產(chǎn)生的特效[5~6]，比如閃電與地面物體的碰撞、閃電的光照現(xiàn)象、閃電云彩效果等。
圖1 使用播放紋理技術(shù)產(chǎn)生的閃電現(xiàn)象
1994年，T.Reed[3]比較系統(tǒng)地提出了用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CG閃電模擬。具體方法：在云中放一個(gè)粒子，然后這個(gè)粒子隨機(jī)產(chǎn)生幾個(gè)子粒子，子粒子隨機(jī)地產(chǎn)生向下的角度，向下運(yùn)動(dòng)，子粒子又隨機(jī)地產(chǎn)生新粒子……，這樣就產(chǎn)生了整個(gè)閃電整體。在渲染方面，他采用光線跟蹤技術(shù)，不過僅僅只渲染了閃電主枝。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，他的閃電模擬做得比較粗糙，只追求模擬閃電的樣子。1999年，楊子華[4]進(jìn)一步總結(jié)闡述了T. Reed的閃電模擬方法。同年，P.Kruszewski[7]在隨機(jī)二叉樹的理論基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)可以改變參數(shù)的閃電模型。只要設(shè)定好模型的多個(gè)參數(shù)，就可以產(chǎn)生出令人滿意的閃電樣子。由于在渲染上，他還是采用T. Reed模型中的方法，因此他也只考慮閃電主枝的渲染，閃電分支以及周圍物體的渲染沒有考慮進(jìn)去。
2001年，B.Sosorbaram等[6]提出自己的閃電模擬方法，在他之前的閃電模型、閃電形態(tài)的參數(shù)都是從圖片或者錄像中估計(jì)出來的，而B.Sosorbaram強(qiáng)調(diào)使用物理的參數(shù)，這樣產(chǎn)生的閃電才更加真實(shí)。而且在他文章中也實(shí)現(xiàn)了閃電對周圍云彩的光照效果。
閃電模擬中，閃電分支越多，渲染就越復(fù)雜，占用的時(shí)間就越多，而降低閃電分支的復(fù)雜度，整個(gè)閃電模擬就會失真，因此，閃電模擬還沒有廣泛應(yīng)用到大型的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)中。基于此，本文提出一種閃電渲染算法，可以通過簡單的閃電形狀，模擬出效果真實(shí)的閃電。
2 Vega中閃電渲染的新方法
2.1 可行性
圖2是開發(fā)Vega應(yīng)用的層次關(guān)系[8]，從底層實(shí)現(xiàn)來看，Vega實(shí)際上是基于場景圖(scene graph)之上的，而場景圖管理系統(tǒng)本身又建立在OpenGL這樣的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫之上。在SGI平臺上，Vega所依附的場景圖管理系統(tǒng)就是Performer，而在Windows平臺上，Vega所依附的是一套被稱為“Jolt”的場景圖管理系統(tǒng)(Jolt實(shí)際上就是PC上的Performer實(shí)現(xiàn))。另外，Vega不但提供大量的API函數(shù)，還提供回調(diào)函數(shù)(CALLBACK)[8]，因此，可以在回調(diào)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)OpenGL命令和Vega API函數(shù)的結(jié)合。
圖2 開發(fā)Vega應(yīng)用的層次關(guān)系
Vega應(yīng)用有3個(gè)必需步驟[8]：初始化系統(tǒng)(vgInitSys())，定義系統(tǒng)(vgDefineSys())，配置系統(tǒng)(vgConfigSys())，之后就可以進(jìn)入Vega應(yīng)用的主循環(huán)來渲染幀和幀同步(vgSync Frame()和vgFrame())。本文在配置系統(tǒng)之后使用vgAddFunc (vgGetChan(0), VGCHAN_POSTDRAW, Lightning, NULL )，定義一個(gè)名為Lightning的VGCHAN_PREDRAW回調(diào)函數(shù)，它的參數(shù)為空。VGCHAN_PREDRAW回調(diào)函數(shù)是在創(chuàng)建通道之后、開始畫圖之前調(diào)用。 #p#page_title#e#
2.2 閃電結(jié)構(gòu)生成
為了提高模擬的真實(shí)度，采用以下方法進(jìn)行優(yōu)化：(1)采用優(yōu)化過的隨機(jī)函數(shù)來控制閃電段的角度和長度。(2)對所有閃電段都增加了參數(shù)來表示它的能量，同一層次的分支中，能量隨著閃電段延續(xù)而減小，不同級別的分支，其初始能量也是不一樣的，這樣最終閃電效果不像傳統(tǒng)方法中閃電粗細(xì)始終不變。(3)整個(gè)閃電段都共面，這個(gè)面是一個(gè)垂直地面的Billboard，其法向量平行于視線。
2.2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
struct segment //閃電段的結(jié)構(gòu)
{
Vector3 start; //段的上節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)
float power_start； //上節(jié)點(diǎn)處能量
Vector3 end; //段的上節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)
float power_end； //下節(jié)點(diǎn)處能量
}; //閃電分支結(jié)構(gòu)
{
Vector3 start; //分支最頂節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)
float power； //分支初始能量
float angle； //分支的初始角度
};
2.2.2 算法描述
Step1 取云間一點(diǎn)作為整個(gè)閃電的起始點(diǎn)，生成branch對象，隨機(jī)生成它的power和angle，并將這個(gè)branch壓入分支棧。
Step2 判斷分支棧是否為空，如果為空，表示整個(gè)閃電結(jié)構(gòu)已經(jīng)生成，則轉(zhuǎn)Step7；否則，從分支棧中彈出一個(gè)分支，以它的坐標(biāo)和能量作為新生成segment對象上節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和能量。
Step3 隨機(jī)決定是否在segment對象上節(jié)點(diǎn)處是否產(chǎn)生新的閃電分支，如果產(chǎn)生，則上節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)作為新branch對象的start，而power和angle都采用優(yōu)化隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生(注：power小于上節(jié)點(diǎn)能量)，并將此新的branch對象壓入分支棧。
Step4 根據(jù)segment對象的上節(jié)點(diǎn)和能量以及整個(gè)分支的angle，采用隨機(jī)函數(shù)生成其下節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和能量。因?yàn)樵谕环种е心芰窟f減，所以要控制隨機(jī)函數(shù)，使得下節(jié)點(diǎn)的能量小于上節(jié)點(diǎn)能量而且還不能引起能量巨變。
Step5 保存上面生成segment對象，并將其下節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和能量作為新的segment對象的上節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和能量。
Step6 對新segment對象上節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和能量進(jìn)行判斷，如果它已經(jīng)到達(dá)地面或者它的能量已經(jīng)太小(可忽略)，則轉(zhuǎn)Setp2；否則Step3。
Step7 生成過程結(jié)束。
生成的segment對象集合就構(gòu)成了整個(gè)閃電結(jié)構(gòu)。
2.3 紋理生成
2.3.1 紋理結(jié)構(gòu)生成
采用2.2.2節(jié)的生成算法在紋理圖片上生成一個(gè)小型的閃電，這個(gè)閃電結(jié)構(gòu)簡單，分支少。然后根據(jù)分支的層次，以每個(gè)segment的上、下節(jié)點(diǎn)連線為中心向兩邊擴(kuò)展，生成segment面。閃電主枝為最高層，因此它的面最寬，從上層分支上生成的分支為下一層，寬度比上一層遞減，如圖3。
圖3 閃電紋理的結(jié)構(gòu)層次
2.3.2 紋理著色
通常閃電段周圍會有一些別的顏色，顏色是閃電與空氣中化學(xué)物質(zhì)發(fā)生作用以及物理作用產(chǎn)生的，稱為閃電的燃燒顏色，一般其為粉紅色或者淡藍(lán)色。首先將2.2.1節(jié)生成的segment面著色為白色用來表示閃電本身的顏色；然后每個(gè)閃電段的燃燒顏色由式(1)計(jì)算： 2exp(())iiidGgWλλ=− （1）
其中，iGλ為段i在光線λ下的燃燒顏色；gλ為光線λ的最大值；為段i周圍燃燒區(qū)域?qū)挾鹊囊话耄阉O(shè)置為段i的長度；為距離段i的距離。由于當(dāng)>2.2倍的時(shí)，ididiW2exp(())iidW−的值已經(jīng)小于1％，因此在計(jì)算的時(shí)候只需要計(jì)算閃電段兩側(cè)2.2倍距離以內(nèi)的點(diǎn)，這樣就大大減小計(jì)算的復(fù)雜度。
圖4是采用光線λ為淡藍(lán)色時(shí)候渲染出來的紋理圖片，其中，黑色部位為透明。
圖4 渲染紋理
2.4 實(shí)現(xiàn)
在2.2.2節(jié)算法生成的閃電結(jié)構(gòu)中，閃電被分解成閃電段，根據(jù)segment結(jié)構(gòu)，以上、下節(jié)點(diǎn)連線為中心向兩邊擴(kuò)展形成segment面，擴(kuò)張寬度大小由上、下節(jié)點(diǎn)的能量power控制，這樣就體現(xiàn)了分支層次結(jié)構(gòu)以及閃電能量的遞減。在每個(gè)擴(kuò)展的segment面上都映射[9]2.3節(jié)生成的紋理，這樣就完成了閃電本身的渲染。
對閃電周圍環(huán)境的渲染，包括閃電對場景和云層的照亮效果，通過Dobashi[5]提出的在主要的閃電分支上增加數(shù)個(gè)點(diǎn)光源實(shí)現(xiàn)。
2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 #p#page_title#e#
與Vega中的播放紋理技術(shù)相比，本文提出的方法靈活，閃電的形狀變化豐富，而且實(shí)現(xiàn)閃電本身渲染、閃電對周圍環(huán)境的光照特效。
與其他的閃電渲染算法相比，此方法最大的特點(diǎn)就是簡單，如果傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的閃電有10 000個(gè)閃電段，那么就必須計(jì)算10 000個(gè)閃電段，渲染10 000個(gè)閃電段，而如果采用此方法，制作的閃電紋理里面包含20個(gè)閃電段，整體閃電的閃電分支就只需要500個(gè)，那么程序就只需要計(jì)算520個(gè)閃電段，渲染20個(gè)閃電段就可以達(dá)到同樣逼真的效果。
圖5是近距離的效果，閃電主枝上的小分支非常多，采用紋理映射技術(shù)，只需要不到8個(gè)閃電就實(shí)現(xiàn)了。圖6是遠(yuǎn)距離的效果，閃電形狀更加真實(shí)，而且閃電對周圍環(huán)境的光照特效也非常明顯。
圖5 近距離效果
圖6 遠(yuǎn)距離效果
2.6 使用新方法需要注意的問題
Vega并不是所有的回調(diào)函數(shù)都可以使用OpenGL指令繪圖，準(zhǔn)確地說只有在屬于Draw繪制進(jìn)程[8]的回調(diào)函數(shù)中才可以調(diào)用OpenGL指令繪圖。
由于在繪圖通道中狀態(tài)改變耗費(fèi)嚴(yán)重，為了高性能運(yùn)行，Vega和OpenGL都采用惰性狀態(tài)評價(jià)。因此，在程序中使用OpenGL命令改變狀態(tài)之前，一定要保存以前的狀態(tài)，命令運(yùn)行結(jié)束之后，也要及時(shí)恢復(fù)這些狀態(tài)。
3 結(jié)束語
本文提出了一種新的閃電渲染方法，該方法與傳統(tǒng)方法相比，實(shí)現(xiàn)簡單，模擬效果真實(shí)，運(yùn)算量小，尤其是在閃電本身渲染方面，適合實(shí)時(shí)性要求高的仿真系統(tǒng)；同時(shí)，結(jié)合Vega的特點(diǎn)，成功地將此方法應(yīng)用到Vega環(huán)境中，解決了基于Vega的視景仿真中無法實(shí)現(xiàn)隨機(jī)閃電渲染的難題，該方法產(chǎn)生的閃電模擬應(yīng)用到民用飛機(jī)模擬器視景仿真中，取得了良好的仿真演示效果，此外其對于Vega中復(fù)雜模型的建立也有重要意義。
閃電模擬一直是視景仿真[1]中一個(gè)的重點(diǎn)。目前關(guān)于閃電模擬的方法基本都是采用粒子系統(tǒng)[2]。使用粒子系統(tǒng)模擬閃電，就是實(shí)時(shí)控制每一個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)和變化，這樣粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡就構(gòu)成了閃電[3~4]。
視景仿真主要基于Vega進(jìn)行開發(fā)。Vega是美國Multi Gen-Paradigm公司用于虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)視景仿真、聲音仿真以及其他可視化領(lǐng)域的世界領(lǐng)先級視景開發(fā)軟件。Vega有自己的粒子系統(tǒng)，但是它沒有辦法進(jìn)行閃電模擬。Vega的粒子系統(tǒng)是封裝好的，用戶只要設(shè)定好粒子的數(shù)量、產(chǎn)生方式、各種速度(風(fēng)速、矢量速度和隨機(jī)速度等)、顏色和重力加速度，就可以使所有的粒子按照要求開始運(yùn)動(dòng)和變化。由于這樣的封裝，Vega的粒子系統(tǒng)使用起來非常方便，尤其是實(shí)現(xiàn)雨和雪模擬的時(shí)候，然而也是由于這樣的封裝，用戶只能知道整體粒子系統(tǒng)是按照什么方式工作的，根本不能得到單獨(dú)一個(gè)粒子的實(shí)時(shí)狀態(tài)和位置，因此使用Vega的粒子系統(tǒng)難以控制粒子模擬閃電。
現(xiàn)在，基于Vega的閃電模擬目前主要采用的是播放紋理技術(shù)，所謂播放紋理就是事先把閃電現(xiàn)象做成一系列的連續(xù)圖片，當(dāng)要產(chǎn)生閃電的時(shí)候，系統(tǒng)就高速播放這些連續(xù)的圖片，就像播放閃電動(dòng)畫一樣。然而這個(gè)技術(shù)存在很大的缺點(diǎn)：(1)因?yàn)槊看尾シ诺亩际峭瑯拥募y理圖片，所以閃電樣子單一；(2)當(dāng)閃電位置和大小變化的時(shí)候，都要對紋理圖片進(jìn)行縮放、變形，因此存在一定的失真；(3)由于閃電是紋理實(shí)現(xiàn)的，因此它無法實(shí)現(xiàn)因?yàn)殚W電顯現(xiàn)而產(chǎn)生的特效[5~6]，比如閃電與地面物體的碰撞、閃電的光照現(xiàn)象、閃電云彩效果等。
圖1 使用播放紋理技術(shù)產(chǎn)生的閃電現(xiàn)象
1994年，T.Reed[3]比較系統(tǒng)地提出了用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CG閃電模擬。具體方法：在云中放一個(gè)粒子，然后這個(gè)粒子隨機(jī)產(chǎn)生幾個(gè)子粒子，子粒子隨機(jī)地產(chǎn)生向下的角度，向下運(yùn)動(dòng)，子粒子又隨機(jī)地產(chǎn)生新粒子……，這樣就產(chǎn)生了整個(gè)閃電整體。在渲染方面，他采用光線跟蹤技術(shù)，不過僅僅只渲染了閃電主枝。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，他的閃電模擬做得比較粗糙，只追求模擬閃電的樣子。1999年，楊子華[4]進(jìn)一步總結(jié)闡述了T. Reed的閃電模擬方法。同年，P.Kruszewski[7]在隨機(jī)二叉樹的理論基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)可以改變參數(shù)的閃電模型。只要設(shè)定好模型的多個(gè)參數(shù)，就可以產(chǎn)生出令人滿意的閃電樣子。由于在渲染上，他還是采用T. Reed模型中的方法，因此他也只考慮閃電主枝的渲染，閃電分支以及周圍物體的渲染沒有考慮進(jìn)去。
2001年，B.Sosorbaram等[6]提出自己的閃電模擬方法，在他之前的閃電模型、閃電形態(tài)的參數(shù)都是從圖片或者錄像中估計(jì)出來的，而B.Sosorbaram強(qiáng)調(diào)使用物理的參數(shù)，這樣產(chǎn)生的閃電才更加真實(shí)。而且在他文章中也實(shí)現(xiàn)了閃電對周圍云彩的光照效果。
閃電模擬中，閃電分支越多，渲染就越復(fù)雜，占用的時(shí)間就越多，而降低閃電分支的復(fù)雜度，整個(gè)閃電模擬就會失真，因此，閃電模擬還沒有廣泛應(yīng)用到大型的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)中。基于此，本文提出一種閃電渲染算法，可以通過簡單的閃電形狀，模擬出效果真實(shí)的閃電。
2 Vega中閃電渲染的新方法
2.1 可行性
圖2是開發(fā)Vega應(yīng)用的層次關(guān)系[8]，從底層實(shí)現(xiàn)來看，Vega實(shí)際上是基于場景圖(scene graph)之上的，而場景圖管理系統(tǒng)本身又建立在OpenGL這樣的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫之上。在SGI平臺上，Vega所依附的場景圖管理系統(tǒng)就是Performer，而在Windows平臺上，Vega所依附的是一套被稱為“Jolt”的場景圖管理系統(tǒng)(Jolt實(shí)際上就是PC上的Performer實(shí)現(xiàn))。另外，Vega不但提供大量的API函數(shù)，還提供回調(diào)函數(shù)(CALLBACK)[8]，因此，可以在回調(diào)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)OpenGL命令和Vega API函數(shù)的結(jié)合。
圖2 開發(fā)Vega應(yīng)用的層次關(guān)系
Vega應(yīng)用有3個(gè)必需步驟[8]：初始化系統(tǒng)(vgInitSys())，定義系統(tǒng)(vgDefineSys())，配置系統(tǒng)(vgConfigSys())，之后就可以進(jìn)入Vega應(yīng)用的主循環(huán)來渲染幀和幀同步(vgSync Frame()和vgFrame())。本文在配置系統(tǒng)之后使用vgAddFunc (vgGetChan(0), VGCHAN_POSTDRAW, Lightning, NULL )，定義一個(gè)名為Lightning的VGCHAN_PREDRAW回調(diào)函數(shù)，它的參數(shù)為空。VGCHAN_PREDRAW回調(diào)函數(shù)是在創(chuàng)建通道之后、開始畫圖之前調(diào)用。 #p#page_title#e#
2.2 閃電結(jié)構(gòu)生成
為了提高模擬的真實(shí)度，采用以下方法進(jìn)行優(yōu)化：(1)采用優(yōu)化過的隨機(jī)函數(shù)來控制閃電段的角度和長度。(2)對所有閃電段都增加了參數(shù)來表示它的能量，同一層次的分支中，能量隨著閃電段延續(xù)而減小，不同級別的分支，其初始能量也是不一樣的，這樣最終閃電效果不像傳統(tǒng)方法中閃電粗細(xì)始終不變。(3)整個(gè)閃電段都共面，這個(gè)面是一個(gè)垂直地面的Billboard，其法向量平行于視線。
2.2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
struct segment //閃電段的結(jié)構(gòu)
{
Vector3 start; //段的上節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)
float power_start； //上節(jié)點(diǎn)處能量
Vector3 end; //段的上節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)
float power_end； //下節(jié)點(diǎn)處能量
}; //閃電分支結(jié)構(gòu)
{
Vector3 start; //分支最頂節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)
float power； //分支初始能量
float angle； //分支的初始角度
};
2.2.2 算法描述
Step1 取云間一點(diǎn)作為整個(gè)閃電的起始點(diǎn)，生成branch對象，隨機(jī)生成它的power和angle，并將這個(gè)branch壓入分支棧。
Step2 判斷分支棧是否為空，如果為空，表示整個(gè)閃電結(jié)構(gòu)已經(jīng)生成，則轉(zhuǎn)Step7；否則，從分支棧中彈出一個(gè)分支，以它的坐標(biāo)和能量作為新生成segment對象上節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和能量。
Step3 隨機(jī)決定是否在segment對象上節(jié)點(diǎn)處是否產(chǎn)生新的閃電分支，如果產(chǎn)生，則上節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)作為新branch對象的start，而power和angle都采用優(yōu)化隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生(注：power小于上節(jié)點(diǎn)能量)，并將此新的branch對象壓入分支棧。
Step4 根據(jù)segment對象的上節(jié)點(diǎn)和能量以及整個(gè)分支的angle，采用隨機(jī)函數(shù)生成其下節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和能量。因?yàn)樵谕环种е心芰窟f減，所以要控制隨機(jī)函數(shù)，使得下節(jié)點(diǎn)的能量小于上節(jié)點(diǎn)能量而且還不能引起能量巨變。
Step5 保存上面生成segment對象，并將其下節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和能量作為新的segment對象的上節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和能量。
Step6 對新segment對象上節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和能量進(jìn)行判斷，如果它已經(jīng)到達(dá)地面或者它的能量已經(jīng)太小(可忽略)，則轉(zhuǎn)Setp2；否則Step3。
Step7 生成過程結(jié)束。
生成的segment對象集合就構(gòu)成了整個(gè)閃電結(jié)構(gòu)。
2.3 紋理生成
2.3.1 紋理結(jié)構(gòu)生成
采用2.2.2節(jié)的生成算法在紋理圖片上生成一個(gè)小型的閃電，這個(gè)閃電結(jié)構(gòu)簡單，分支少。然后根據(jù)分支的層次，以每個(gè)segment的上、下節(jié)點(diǎn)連線為中心向兩邊擴(kuò)展，生成segment面。閃電主枝為最高層，因此它的面最寬，從上層分支上生成的分支為下一層，寬度比上一層遞減，如圖3。
圖3 閃電紋理的結(jié)構(gòu)層次
2.3.2 紋理著色
通常閃電段周圍會有一些別的顏色，顏色是閃電與空氣中化學(xué)物質(zhì)發(fā)生作用以及物理作用產(chǎn)生的，稱為閃電的燃燒顏色，一般其為粉紅色或者淡藍(lán)色。首先將2.2.1節(jié)生成的segment面著色為白色用來表示閃電本身的顏色；然后每個(gè)閃電段的燃燒顏色由式(1)計(jì)算： 2exp(())iiidGgWλλ=− （1）
其中，iGλ為段i在光線λ下的燃燒顏色；gλ為光線λ的最大值；為段i周圍燃燒區(qū)域?qū)挾鹊囊话耄阉O(shè)置為段i的長度；為距離段i的距離。由于當(dāng)>2.2倍的時(shí)，ididiW2exp(())iidW−的值已經(jīng)小于1％，因此在計(jì)算的時(shí)候只需要計(jì)算閃電段兩側(cè)2.2倍距離以內(nèi)的點(diǎn)，這樣就大大減小計(jì)算的復(fù)雜度。
圖4是采用光線λ為淡藍(lán)色時(shí)候渲染出來的紋理圖片，其中，黑色部位為透明。
圖4 渲染紋理
2.4 實(shí)現(xiàn)
在2.2.2節(jié)算法生成的閃電結(jié)構(gòu)中，閃電被分解成閃電段，根據(jù)segment結(jié)構(gòu)，以上、下節(jié)點(diǎn)連線為中心向兩邊擴(kuò)展形成segment面，擴(kuò)張寬度大小由上、下節(jié)點(diǎn)的能量power控制，這樣就體現(xiàn)了分支層次結(jié)構(gòu)以及閃電能量的遞減。在每個(gè)擴(kuò)展的segment面上都映射[9]2.3節(jié)生成的紋理，這樣就完成了閃電本身的渲染。
對閃電周圍環(huán)境的渲染，包括閃電對場景和云層的照亮效果，通過Dobashi[5]提出的在主要的閃電分支上增加數(shù)個(gè)點(diǎn)光源實(shí)現(xiàn)。
2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 #p#page_title#e#
與Vega中的播放紋理技術(shù)相比，本文提出的方法靈活，閃電的形狀變化豐富，而且實(shí)現(xiàn)閃電本身渲染、閃電對周圍環(huán)境的光照特效。
與其他的閃電渲染算法相比，此方法最大的特點(diǎn)就是簡單，如果傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的閃電有10 000個(gè)閃電段，那么就必須計(jì)算10 000個(gè)閃電段，渲染10 000個(gè)閃電段，而如果采用此方法，制作的閃電紋理里面包含20個(gè)閃電段，整體閃電的閃電分支就只需要500個(gè)，那么程序就只需要計(jì)算520個(gè)閃電段，渲染20個(gè)閃電段就可以達(dá)到同樣逼真的效果。
圖5是近距離的效果，閃電主枝上的小分支非常多，采用紋理映射技術(shù)，只需要不到8個(gè)閃電就實(shí)現(xiàn)了。圖6是遠(yuǎn)距離的效果，閃電形狀更加真實(shí)，而且閃電對周圍環(huán)境的光照特效也非常明顯。
圖5 近距離效果
圖6 遠(yuǎn)距離效果
2.6 使用新方法需要注意的問題
Vega并不是所有的回調(diào)函數(shù)都可以使用OpenGL指令繪圖，準(zhǔn)確地說只有在屬于Draw繪制進(jìn)程[8]的回調(diào)函數(shù)中才可以調(diào)用OpenGL指令繪圖。
由于在繪圖通道中狀態(tài)改變耗費(fèi)嚴(yán)重，為了高性能運(yùn)行，Vega和OpenGL都采用惰性狀態(tài)評價(jià)。因此，在程序中使用OpenGL命令改變狀態(tài)之前，一定要保存以前的狀態(tài)，命令運(yùn)行結(jié)束之后，也要及時(shí)恢復(fù)這些狀態(tài)。
3 結(jié)束語
本文提出了一種新的閃電渲染方法，該方法與傳統(tǒng)方法相比，實(shí)現(xiàn)簡單，模擬效果真實(shí)，運(yùn)算量小，尤其是在閃電本身渲染方面，適合實(shí)時(shí)性要求高的仿真系統(tǒng)；同時(shí)，結(jié)合Vega的特點(diǎn)，成功地將此方法應(yīng)用到Vega環(huán)境中，解決了基于Vega的視景仿真中無法實(shí)現(xiàn)隨機(jī)閃電渲染的難題，該方法產(chǎn)生的閃電模擬應(yīng)用到民用飛機(jī)模擬器視景仿真中，取得了良好的仿真演示效果，此外其對于Vega中復(fù)雜模型的建立也有重要意義。
