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基于GPU雨场景的实时模拟
唐玉蕾;袁赞;吴志红
【期刊名称】《计算机工程与设计》
【年(卷),期】2014(35)6
【摘要】为更实时地模拟雨的场景,采用改进的粒子系统来模拟雨的动画,并采用纹理技术来渲染雨滴.改进的粒子系统只需模拟一个指定立方体内固定数量的粒子,并通过对粒子重复利用,有效减少粒子系统的开销.在渲染雨的过程中,使用一个存于二维纹理数组中的数据库,该数据库存储了不同视点和光照方向下雨的外形;采用法线贴图及单个散射模型光照技术,逼真地模拟雨天潮湿路面及雨滴飞溅的效果.实验结果表明,在GPU上模拟雨的场景逼真度高,实时性好.
【总页数】4页(P2188-2191)
【作者】唐玉蕾;袁赞;吴志红
【作者单位】四川大学计算机学院,四川成都610065;四川大学国家空管自动化系统技术重点实验室,四川成都610065;四川大学计算机学院,四川成都610065;四川大学国家空管自动化系统技术重点实验室,四川成都610065;四川大学计算机学院,四川成都610065;四川大学国家空管自动化系统技术重点实验室,四川成都610065
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.GPU中的流体场景实时模拟算法 [J], 陈曦;王章野;何戬;延诃;彭群生
2.基于GPU粒子系统的可交互水波实时模拟 [J], 张艺衡;李晓峰;刘小玲;杨智宇
3.基于GPU粒子系统的大规模雨雪场景实时模拟 [J], 刘小玲;杨红雨;郭虎奇
4.基于GPU粒子系统的大规模场景高效雨雪实时模拟 [J], 文治中;刘直芳;李纲;梁威
5.一种基于GPU的火焰实时模拟算法 [J], 邓定胜
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基于大规模粒子系统的实时喷泉模拟摘要本文实现了一种新的喷泉模拟方法，与传统的在CPU上实现算法不同的是，本文算法完全基于计算机图形硬件(GPU)来实现，利用图形硬件的大规模并行计算能力，显著的增加了模拟喷泉的粒子数量，提高了渲染速度，同时减轻了CPU的负载，使整个三维场景的绘制更加高效。
关键词粒子系统；GPU；实时；喷泉模拟0 引言自然景物的模拟一直是计算机图形学的研究热点之一。
粒子系统被公认为是模拟自然景物中运动模糊物体非常有效的一种图形生成算法。
目前，在这一领域已经有较多的算法和理论，1983年，Reeves 首先提出了粒子系统为模糊物体建模的方法[1]。
1990年，Karl Sims在超级计算机上实现了粒子系统的并行算法[2]。
随着计算机图形硬件的快速发展，图形处理器（GPU）的计算能力大大增强，在GPU上进行大规模的并行计算成为可能[3]。
2004年，Lutz latta在个人计算机的GPU上实现了并行的粒子系统，能实时处理1，000，000个粒子，并首次提出了大规模粒子系统的概念[4，5]。
2006年，许楠等也在GPU上实现了大规模的粒子系统，用26万个粒子实现了对雨景的模拟[6]。
喷泉的模拟是粒子系统的典型应用，最近对喷泉的研究比较活跃，马骏等利用粒子系统，采用离线渲染的方法来模拟喷泉[7，8]，赵静谧以粒子系统为基础，采用Line方式渲染粒子，结合纹理映射实现了喷泉的实时模拟，其实现的喷泉，粒子数量较小，速度只有20帧/秒[9]。
方建文等利用了GPU的硬件加速功能，以CPU和GPU相结合，实现了对喷泉的实时模拟，在粒子规模小于10，000个的情况下能满足实时的要求[10]。
在做虚拟校园时，我们要模拟一个较大的喷泉，由三组喷泉组成，共72个水柱，为了逼真的模拟喷泉效果，本文采用完全基于GPU的大规模粒子系统，在普通的计算机上，用了大约76，500个粒子，利用GPU大规模并行计算的能力，实现了喷泉的实时模拟。
基于粒子系统与OpenGL的实时雨雪模拟
徐利明;姜昱明
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2005(022)007
【摘要】自然景物的模拟一直是计算机图形学中最具挑战性的问题之一.关于水、云、烟、雨、雪等自然景物的模拟,在计算机游戏、三维动画、影视及广告中有着广泛的应用.自然景观中雨、雪的模拟,可以大大提高三维场景的逼真度,Reeves提出的粒子系统是模拟雨、雪的一种有效的方法.论文在分析粒子系统实现原理的基础上,基于OpenGL提出了一种在大型场景漫游系统中实时模拟雨、雪的方法.基本思想是基于OpenGL的多视口与色彩融合技术,把模拟雨、雪的粒子在一个新的视口中视线有效区域内进行绘制,然后与原视口中的场景一起显示于窗口中.实践证明,该方法实现的雨雪模拟效果比较真实,而且在普通PC上也可以满足一般动画的实时性要求.
【总页数】4页(P242-245)
【作者】徐利明;姜昱明
【作者单位】西安电子科技大学计算机学院,陕西,西安,710071;西安电子科技大学计算机学院,陕西,西安,710071
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于粒子系统与LOD技术的实时雨雪效果模拟 [J], 陈华杰;余小清;唐经洲;万旺根
2.基于GPU粒子系统的大规模雨雪场景实时模拟 [J], 刘小玲;杨红雨;郭虎奇
3.基于GPU粒子系统的大规模场景高效雨雪实时模拟 [J], 文治中;刘直芳;李纲;梁威
4.基于粒子系统和Vega的实时雨雪模拟 [J], 杨述华;廖守亿;王仕成;张金生
5.基于粒子系统和纹理滚动的实时雨雪模拟 [J], 周凯波;张建伟;梁海军
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基于粒子系统的实时降雨、降雪模拟刘芳;佟巍【期刊名称】《计算机系统应用》【年(卷),期】2015(000)006【摘要】Based on the theory of particle system, the simulation of the snow, rain and their real simulation in wind field in the virtual environment was implemented in this paper. The paper firstly illustrated the basic simulation principle of the particle system, and then descripted and analyzed the characteristic of the rain and the snow under the influence of the wind field; put forward the overall train of thought of the rain and the snow simulation. The paper simulated the rain and the snow according to the characteristics of the rain and the snow, the aerodynamics theory of them. By improved the Four-point linear water ripple simulation algorithm, the Eight-point water ripple linear algorithm was adopted to simulate the water ripple formed by the raindrops, atomization factor was applied to solve the fuzzy problem of snow environment.%基于粒子系统理论实现了虚拟环境中降雪、降雨及其在风场中的模拟。
基于OGRE粒子系统的下雨效果模拟
郑旭
【期刊名称】《软件导刊》
【年(卷),期】2010(009)004
【摘要】虚拟现实系统中,虚拟场景的构建是非常重要的研究课题.为了使虚拟场景更加接近于现实生活中的自然景物,在场景中要模拟诸如云、雨、雪、烟雾等自然现象,这些自然景物的模拟直接关系到虚拟现实系统中人机界面的构成,也更直接影响到该系统整体功能的实现.为了实现对雨天的模拟,通过对OGRE粒子系统原理以及粒子脚本语言和材质脚本语言的分析,提出一种基于OGRE粒子系统的雨天模拟方法,在该图像渲染引擎下实现了下雨天的效果.
【总页数】3页(P15-17)
【作者】郑旭
【作者单位】中国地质大学,信息工程学院,湖北,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TP311.11
【相关文献】
1.基于 OGRE 粒子系统的喷泉模拟 [J], 张磊;黄亚玲
2.基于OGRE粒子系统的烟花模拟 [J], 周海波;陈福民;李莉娅
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5.基于四叉树粒子系统的天气效果模拟算法 [J], 倪桂强;唐斌;罗健欣;刘磊
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利用粒子系统制作雨水效果在Blender软件中，粒子系统是一个非常强大的工具，可以用于创建各种动画效果。
其中之一就是模拟雨水效果。
下面将为大家介绍如何利用粒子系统制作逼真的雨水效果。
第一步，创建一个平面面片作为场景的背景。
选择一个适合的大小，并将其移到合适的位置，比如模拟室外场景中的天空。
确保该面片位于其他物体上方，以便雨水可以自由下落。
第二步，为场景中的雨水创建粒子系统。
在“粒子”选项卡中，点击“新建”来创建一个新的粒子系统。
将其命名为“雨水”。
在“发射”选项中，选择“发射模式”为“顶点”，这样雨水粒子将从面片上的各个顶点开始发射。
接下来，将“总粒子数”设置为适当的值，以控制场景中的雨滴数量。
可以根据需要进行调整。
在“粒子生命周期”选项中，设置适当的数值以控制雨滴的寿命。
较小的数值对应于较短的寿命，较大的数值对应于较长的寿命。
此外，还可以通过调整“生命周期”曲线来实现更加自然的效果。
第三步，调整粒子的初始速度和方向。
在“初始速度”选项中，将速度设置为一个适当的值，比如100。
接下来，在“初始速度”下方的“随机”选项中，调整适当的数值以增加雨水的随机性。
在“初始方向”选项中，选择“朝向法线”，这样雨滴将沿着面片的法线方向下落。
第四步，增加一些雨滴的细节。
在“渲染”选项中，将“渲染类型”设置为“物体”，并选择一个适当的物体作为雨滴的外观。
可以使用一个小的球体模拟雨滴的形状。
调整物体的大小和形状，以获得更逼真的效果。
还可以在“渲染”选项下方的“制图”选项卡中，调整透明度和反射等参数。
第五步，给雨滴添加动态效果。
在“力场”选项卡中，可以添加一些力场来模拟雨滴的运动。
比如，可以添加一个“风”力场，通过调整其参数来模拟风吹雨飘的效果。
还可以使用“涡流”力场来模拟雨水的旋转效果。
根据需要，可以添加多个力场，并进行参数调整以获得更加丰富多样的效果。
第六步，渲染雨水效果。
在渲染设置中，选择合适的分辨率和输出格式。
基于粒子系统的雨景模拟改进算法研究摘要：针对传统粒子系统技术生成虚拟场景速度太慢无法满足仿真系统实时性要求的缺点，在介绍粒子系统传统算法的基础上，以模拟自然界降雨过程为例，提出了基于粒子系统的雨景模拟改进算法，并最终取得了较为逼真的降雨过程视觉效果。
该模型方法简单实用，可很方便地嵌入到现有的各种动画系统中。
关键词：计算机仿真；粒子系统；雨景模拟；实时生成中图分类号：tp312文献标识码：a文章编号：1672-7800（2012）012-0046-030引言随着计算机图形学理论和图形硬件的飞速发展，自然景物的生成与模拟已经成为计算机图形学研究的热门课题之一。
尤其是对如雨、雪等动态自然景物的模拟更是极具挑战性，这是由于在现实世界中的自然景物具有极其丰富的表面纹理细节和不规则的表面外形，它们的逻辑结构很难表达，若对在微机条件下的场景实时生成采用传统的计算机图形学方法来造型，再对场景进行实施渲染，巨大的计算量将成为图形生成显示难以逾越的瓶颈。
因此，如何才能实时有效地模拟各种自然景物过程并提高虚拟场景的逼真性就成了计算机图形学研究的一个重要内容。
本文从视景仿真的实时性要求出发，首先介绍了粒子系统的传统算法，然后以模拟自然界降雨过程为例，分析了雨点的属性特点，提出了基于粒子系统模拟自然界降雨过程的实时生成改进算法，建立并实现了一种能够模拟降雨过程的粒子系统。
该系统对雨水下降过程中的物理模型等进行了适当简化，在保证粒子系统实时性的前提下，达到了较高的逼真度，并可方便地嵌入到现有的各种动画系统中去，应用前景十分广阔。
1基于传统粒子系统的雨景模拟算法这里首先对坐标系及相关变量作出相应说明，假设系统中模型空间坐标系采用右手坐标系，摄像机的初始位置为（0，0，0），方向为z轴负方向。
所用到的变量包括视距体参数、视窗尺寸、摄像机参数等。
视距体参数包括水平视角与垂直视角α、β，近平面距离dnear，远平面距离dfar。
视窗尺寸包括视窗高度hscreen、视窗宽度wscreen。
Vol. 42 Nv4Oci42020第42卷第5期2020年10月!"#制％&'Command Control & Simulation文章编号：1673-3819( 2020) 05-0070-06基于粒子系统的雨天实时仿真方法!刘剑超，林亚军，王述运，董 斐(海军航空大学教练机模拟训练中心，辽宁葫芦岛125001)摘要：为了解决传统雨天三维场景绘制速度慢、效率低、效果差等实际工程应用问题,基于粒子系统，从雨滴的生成、运动到雨滴落地的整个过程，提出了一种大规模雨天环境的渲染方法。
该方法采用Transform Feedback 技术对雨滴的运动进行绘制，实现了雨滴着色、飞溅水花、动态涟漪等渲染效果，利用OpenGL 的离屏渲染特性，采用程序化 的方法，根据一张纹理，持续地生成一张新的、有动画圆圈的、代表涟漪的法向量纹理，实现了动态涟漪的算法流程。
通过雨滴的分布状态、雨滴的运动和雨滴的尾迹现象三方面的分析，实现了雨滴在透明玻璃表面的形成效果。
最后，使用一张路面纹理mask ,高度限制在* 0,1］,实现了路面积水渲染效果，并给出了着色算法。
收稿日期：2020-04-30修回日期：2020-06-30*基金项目：国家自然基金重点项目(61632003)；国家自然基金与新加坡国家基金会合作项目(61661146002)作者简介：刘剑超(1982&),男，河北唐山人，硕士，工程师，研究方向为飞行仿真、舰载机理论。
林亚军(1970&),男，博士，高级工程师。
关键词：雨滴；粒子；着色算法；纹理中图分类号:TP391. 9 文献标志码：A DOI ： 10国969力防sn.1673-3819国020国5国14Method of Rainy 3D Scene Real-time Based on Particle SystemLO Jian-chav , LIN Ya-jun , WANG Shu-yun , DONG Fai( FeghiS mueaion Taa1n1ngCenieaooTaa1nea ， NaeaeAeaion Un eeasiy ， Hueudao125001 ， Ch1na )Abtrracr ： In oadeaiosoeeeihepaacicaeeng1neea1ngappecaion paobeemssuch asseowaendeangspeed , eowe o cencyandpooae o eciooiaad ionae3Dscene1n aa1nyday , ih spapeapaoposesameihod ooaendeangeaage-scaeeaa1nydayeneaonmeni abouiihegeneaaion and moeemeniooaa1ndaopsiosmueaieihewhoeepaocessooaa1ndaopseand1ng.Based on ihepaaiceesys-iem , ih spapeapaesenisaaendeangmeihod ooeaage-scaeeaa1nyeneaonmeni , oaomihegeneaaion and moeemeniooaa1ndaops ioihewhoeepaoce s ooaa1ndaopseand1ng.Th smeihod usesiaansooam oeedback iechnoeogyiodaaw ihemoeemeniooaa1n-drops , realizes the rendering effects of raindrop celoring, splashing water, dynamic ripples and so on. Using the off-screenaendeaongchaaacieaosiocsooOpenGLand ihepaogaammed meihod , accoadongioaiexiuae , conionuouseygeneaaiesanewnoa-mai vector texture representing ripples with animation circles , and realizes the alyorithm flow of dynamic ripples. Through the analysis of the distribution , movement and wake of raindrops , the formation elect of raindrops on the suiace of transparentglas s is realized. FinXly , this paper uses a pavement texture mask , the height is limited to [ 0,1], and realizes the water rendering effect of the road area, and gives the celoring alyorithm.Key wordt : raindrops ; particles ； celoring alaorithm ； texture传统的雨天三维场景的渲染绘制速度慢,而且当 面临海量雨滴的时候运动计算以及绘制效率低下，同时，雨天场景的绘制效果单一，往往只考虑雨天场景的 某一种特效，例如，天空降雨过程，或者地面积水过程等，没有组织形成统一的雨天真实感场景。
基于GPU粒子系统的大规模雨雪场景实时模拟刘小玲;杨红雨;郭虎奇【期刊名称】《计算机工程与设计》【年(卷),期】2012(33)6【摘要】Three-dimensional effect of rain and snow scenery by particle system is greatly enhanced. While, the traditional particle system based on CPU is hard to satisfy the real-time simulation, especially for large-scale scene To solve this problem, a GPU based on particle system is put forward to simulate rain and snow. In this system, all particles is generated in perspective coordinate system in a cube area in front of the viewpoint, the attribute of particles is updated in vertex shader, and the particle points will be expanded to rectangles in geometry shader. Besides, the algorithm put several snow flake pictures to use, and each snow particle combine with one of the picture randomly, which makes snow correspond with diversity and randomness. The experimental results show that the algorithm can simulate rain and snow realistically in real-time in large-scale scene.%基于粒子系统的雨雪模拟大幅提高了三维场景的真实感,但传统的基于中央处理(CPU)的粒子系统的渲染效率难以达到在大规模场景中进行雨雪渲染的要求.为此,提出了一种基于GPU的粒子系统来渲染雨雪场景的算法.该算法在视点前的一个固定区域内产生和绘制粒子,在顶点着色器中进行粒子属性的更新,在几何着色器中将粒子从点扩展为矩形,并对每一帧中的粒子的属性进行缓存处理,保证了粒子属性更新的连续性.此外,采用多幅雪花纹理与粒子随机组合,使雪花效果符合多样性和随机性.实验结果表明,该算法能在大规模场景中进行雨雪效果的实时渲染,并有较高的真实感.【总页数】5页(P2398-2401,2436)【作者】刘小玲;杨红雨;郭虎奇【作者单位】四川大学计算机学院,四川成都610064;四川大学计算机学院,四川成都610064;四川大学视觉合成图形图像技术国防重点学科实验室,四川成都610064;四川大学计算机学院,四川成都610064【正文语种】中文【中图分类】TP391.9【相关文献】1.一种基于GPU的大规模水面实时模拟方法 [J], 谭小辉;万旺根;余小清;崔滨2.基于GPU粒子系统的战场实时雨雪效果模拟 [J], 张汉清;张科3.基于GPU雨场景的实时模拟 [J], 唐玉蕾;袁赞;吴志红4.基于GPU粒子系统的可交互水波实时模拟 [J], 张艺衡;李晓峰;刘小玲;杨智宇5.基于GPU粒子系统的大规模场景高效雨雪实时模拟 [J], 文治中;刘直芳;李纲;梁威因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于粒子系统雨雪模拟计算机毕业论文摘要粒子系统在计算机图形学中得到了广泛应用，其中雨雪模拟是一个重要的应用领域。
本文通过研究粒子系统的基本原理和相关算法，设计了一种基于粒子系统的雨雪模拟方法。
该方法实现了雨滴和雪花的粒子效果，同时考虑了风速和温度等环境因素对雨雪模拟的影响。
通过实验验证，该方法能够较好地模拟不同环境条件下的雨雪效果，具有一定的实用价值。
关键词：粒子系统；雨雪模拟；风速；温度；计算机图形学AbstractParticle system has been widely used in computer graphics, and rain snow simulation is an important application field. In this paper, by studying the basic principles and related algorithms of particle system, a rain snow simulation method based on particle system is designed. The method realizes the particle effect of raindrops and snowflakes, and considers the influence of environmental factors such as wind speed and temperature on rain and snow simulation. Through experimental verification, the method can well simulate rain and snow effects under different environmental conditions, and has certain practical value.Keywords: particle system; rain and snow simulation; wind speed; temperature; computer graphics1. 绪论雨雪模拟是计算机图形学中的一个重要应用领域，它能够为游戏、电影等领域提供逼真的气氛效果。
cesium化繁为简-粒⼦系统-模拟下雪（⾬）【转】<!DOCTYPE html><html lang="en"><head><meta charset="UTF-8"><title>Title</title><script type="text/javascript" src="./js/ctx.js"></script></head><body><div id="cesiumContainer"></div><div id="toolbar"></div><script>var initCesium = new InitCesium();var viewer = initCesium.initViewer('cesiumContainer', {shouldAnimate : true,terrainProvider: Cesium.createWorldTerrain()});var scene = viewer.scene;scene.globe.depthTestAgainstTerrain = true;scene.camera.setView({destination : new Cesium.Cartesian3(277096.634865404, 5647834.481964232, 2985563.7039122293),orientation : {heading : 4.731089976107251,pitch : -0.32003481981370063}});// snowvar snowParticleSize = scene.drawingBufferWidth / 100.0;//例⼦系统⼤⼩var snowRadius = 100000.0;//雪的半径var minimumSnowImageSize = new Cesium.Cartesian2(snowParticleSize, snowParticleSize);//最⼩雪⼤⼩var maximumSnowImageSize = new Cesium.Cartesian2(snowParticleSize * 2.0, snowParticleSize * 2.0);//最⼤雪⼤⼩var snowSystem;var snowGravityScratch = new Cesium.Cartesian3();//竖直位置--名词存疑-实际上是⼀个坐标//每个粒⼦系统在仿真过程种，都会调⽤更新回调函数来修改粒⼦的属性。
降雨仿真中粒子分布区域模型的优化
陈姚节;方志
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2018(018)019
【摘要】粒子系统是实现大规模场景降雨仿真的一种有效方法;但实现过程中,无限制的扩大雨粒子区域势必导致内存消耗过大.为了有效控制粒子分布区域,引入景深的概念,约束粒子分布区域无限制的扩大;并根据环境亮度的变化调整粒子分布区域深度;再在基础的粒子分布区域模型上,提出三种改进的模型.通过试验模拟和分析对比,得到最优的模型.实验结果表明,改进后的最优模型,在保证雨效的同时有效缩减了冗余粒子分布区域,从而减少了雨粒子数量,实现了帧频的提高及降雨场景真实感的提升.
【总页数】6页(P250-255)
【作者】陈姚节;方志
【作者单位】武汉科技大学计算机学院,武汉430065;智能信息处理与实时工业系统湖北省重点实验室,武汉430065;武汉理工大学航运学院,武汉430063;武汉科技大学计算机学院,武汉430065;智能信息处理与实时工业系统湖北省重点实验室,武汉430065
【正文语种】中文
【中图分类】TP399
【相关文献】
1.粒子群算法优化BP在降雨空间插值中的应用 [J], 邱云翔;张潇潇;刘国东
2.降雨对大气真菌粒子浓度及其分布的影响 [J], 胡庆轩;李军保
3.降雨对大气细菌粒子浓度及浓度分布的影响 [J], 胡庆轩;车凤翔
4.呼和浩特降雨和降雪过程粒子谱分布特征分析 [J], 李慧;苏立娟;郑旭程;李汉超;李盈盈;张敏;甄林峰
5.冰云粒子微物理属性在一次强降雨过程中的垂直分布 [J], 邓军英;丁明月;王文彩;光莹;陈勇航;辛渝;崔彩霞;丁逸洲;朱曦
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基于粒子系统的大规模漫游环境实时降雨模拟李占利;吕淑丽【摘要】降雨是一种重要的自然现象，对降雨的模拟可以大大提高虚拟场景的真实感，粒子系统是模拟降雨的一种有效方法。
针对已有降雨模拟方法的不足，提出一种应用于大规模漫游环境下实时降雨的新方法。
首先通过分析雨的行为，建立恰当的雨滴粒子模型；其次通过在极坐标内生成雨滴粒子，提高粒子的利用率；最后就风对于雨滴的干扰作用进行计算，模拟出了逼真的雨滴运动过程。
实验表明，该方法生成的大规模漫游环境下的雨景真实自然，实时性高，具有一定的实用价值。
%Raining is an important natural phenomenon.Simulation of raining will greatly improve the reality of virtual scene,and the particle system is an effective way to simulate raining.To solve the shortage of previous simulation method,we put forward a new approach for the simulation of raining in large-scale roaming terrain.First,a proper raindrop particle model is built by analysing the actions of the rain;then,the utilisation rate of particles is improved by generating the raindrop particles in polar coordinates.Finally,the interference of the wind on raindrops is calculated so that the verisimilar movement process of raindrops issimulated.Experimental results show that the raining scene in large-scale roaming terrain generated with this method is real,natural and with high real-time performance,it has certain applied value.【期刊名称】《计算机应用与软件》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】5页(P214-217,228)【关键词】粒子系统;雨滴粒子;模拟;大规模环境【作者】李占利;吕淑丽【作者单位】西安科技大学计算机科学与技术学院陕西西安710054;西安科技大学计算机科学与技术学院陕西西安710054【正文语种】中文【中图分类】TP391自然景物的模拟一直是计算机仿真领域中既热门又具有挑战性的一个内容。
降雨是一种非常普遍的自然现象，对于降雨的模拟广泛应用于虚拟现实，计算机动画、广告设计，影视制作等方面。
所以对于降雨的模拟有着非常重要的实际意义。
Reeves在1983年提出了使用粒子系统［1］来模拟雨、雪、烟、火焰、爆炸等由不规则对象构成的实时系统。
该方法为不规则物体的模拟提供了一种强有力的方法，也是目前模拟雨的一种普遍且有效的方法。
粒子系统能较真实地模拟雨的效果，但是在大规模场景中由于场景的增大，构建雨景的粒子数量也会随之增加。
数量众多的粒子使得绘制的速率降低，最终将影响整个三维场景的漫游速度。
因此，如何解决大规模场景中粒子的数量与系统实时性之间的矛盾是研究大规模环境下降雨的一个关键所在。
目前对于降雨的模拟方法主要有基于传统的CPU方法和基于GPU的方法。
从生成的逼真度来看两者的效果相差不大，但就渲染速率来说基于GPU方法的渲染速率明显优于基于CPU的方法。
国外学者对降雨的模拟进行了不同程度的研究。
Anna等［2］通过多分辨率的应用在GPU上实现了基于粒子系统的降雨模拟，充分考虑了雨滴的物理属性，最终生成了实时性高、真实感强的三维虚拟场景，但在漫游方面没有做过多的研究。
Bruno等［3］在研究雨滴产生的痕迹以及泼溅效果是也通过粒子系统来生成雨滴。
在国内，徐利明等［4］通过粒子系统实现雨雪的模拟，但是当系统中粒子数量达到360时，漫游速度为24帧／s，实时性低。
李苏军等［5］应用了精确的雨滴降落方程来求解雨滴的运动，通过显示列表来提高系统速率。
最终生成的图像在500个粒子是帧率为100帧／s，实时性好，但是场景逼真度较低，且不能应用与大规模漫游场景。
郭震［6］等实现了一种大场景环境下实时降雨的新方法，该方法添加了雾化效果，同时也实现了雨滴降落地面时的泼溅效果，生成的场景逼真，但未实现漫游效果。
文治中等［7］通过GPU的方法实现了大规模场景高效雨雪的模拟，该方法实时性高，生成的场景真实感强，即使对于万级数量的粒子也能达到百级的渲染速率。
但未实时漫游效果的处理。
最重要的是，上面的方法对于风场对整个雨景的干扰影响处理效果不明显，使得生成的雨景应用范围不广泛。
综合考虑实时性、逼真度、大规模漫游场景等情况下，本文在对粒子系统深入理解的基础上提出了一种应用于大规模漫游环境实时降雨模拟的新方法。
该方法主要通过雨滴粒子模型的建立、极坐标的应用、雨滴粒子的运动简化、雨滴粒子运动过程的精确计算等方法来实现降雨的模拟。
且对于雨滴受风力的影响效果处理逼真。
通过在场景漫游中场景移动而视点不动的方法来实现漫游。
在漫游的过程中通过使生成的雨景始终保持在屏幕上，且面向视点来提高生成雨滴粒子的利用率。
最终，该方法生成的场景真实感强，实时性高，即使在普通的PC机上也可以达到很好的雨景漫游速率。
一个粒子系统是由大量称为粒子的简单体素构成。
每个粒子有一组属性，如位置、速度、颜色和生命期。
一个粒子究竟有什么样的属性，主要取决于具体的应用。
将简单体素和复杂物体行为有机结合、易于实现、易于显示是粒子系统的优点。
这些也决定了粒子系统是构造火焰、水、雨、雪、草地和树林等自然景物的一种有效方法。
粒子系统并不是简单的静态系统，它是不断进化的。
随着时间的推移，系统中已存在的粒子会不断改变形状，不断运动，直到其死亡。
当系统中旧粒子不断消亡的同时，会不断有新粒子的加入。
为了模拟粒子生长和死亡的过程。
每个粒子均有一定的生命周期，使其经历“产生”、“活动”、“死亡”这三个具有随机性的过程。
一般情况下，生成粒子系统某瞬间画面的基本步骤是：（1）生成新的粒子。
（2）给每一新粒子赋予一定的属性。
（3）删除已经超过其生命周期的粒子。
（4）根据粒子的动态属性对粒子进行移动和变换。
（5）绘制并显示由有生命的粒子组成的图形。
实际观测表明，雨滴的最小直径为0.5 mm，最大直径不超过6mm，最大下降速度为9m／s。
高速闪光摄影观察到，一旦雨滴达到最大下降速度，底部就变平，形状似张开的降落伞顶部。
这是由雨滴下降时的空气阻力所致。
由于不同大小雨滴达到匀速下降时存在速度差，下降速度较快的大雨滴与下降速度较慢的小雨滴相遇就会聚合成更大的雨滴，但随着雨滴体积的增大，空气阻力也随之增大。
当雨滴直径大于6 mm时，空气阻力超过了使雨滴保持整体的分子内聚力。
大雨滴便又碎裂分解成小雨滴。
发生大雨或暴雨性天气时的降雨就会出现上述现象。
因此，实际雨滴的落地速度即可能已经达到匀速极限速度，也可能仍处在加速降落状态。
雨滴就是水滴，只是在下落过程中其中会夹有杂质，使得其透明度没有水滴高。
再者下雨天天空的颜色使得雨滴的颜色也呈现灰白色。
根据雨滴的这些行为特征在不影响真实感的情况下，对雨滴粒子的模型做了适当的简化，得到了适合大规模场景的雨滴粒子模型。
2.1 雨滴粒子的定义通过对于雨滴的认识，定义雨滴粒子模型中其属性主要包括状态、位置、速度、加速度、颜色、透明度等。
所有这些属性都是时间t的函数。
随着时间的变化，每个雨滴粒子都要经历“产生”、“活动”和“死亡＂三个过程。
根据雨滴粒子的这些特征，采用下面的结构体来表示雨滴粒子：2.2 雨滴粒子的受力行为描述雨滴不同时刻的状态由其动力学性质决定，如果不受外力作用，雨滴粒子将始终按初始速度匀速下降。
当受到外力的作用时，按牛顿第二定律，粒子将产生一定的加速度。
若对雨滴做较为详细的受力分析，其受到包含重力、空气对其的浮力、雨滴在流体中运动所受斯托克斯力和风力。
下落过程中在竖直方向上，因速度增加，其阻力也在增加，最后重力与阻力平衡，速度不发生改变，这一速度称为终极速度。
风力的方向和大小都有其随机性，会随着时间随机的变化，所以风力对于雨滴粒子的干扰结果也不确定。
综上，雨滴粒子的运动过程随机性强且复杂。
如果要对其运动进行精确的描述，势必将增加系统运算的复杂性，继而影响绘制速率。
所以在此对于雨滴粒子的运动进行了一定的简化。
文中对于雨滴粒子在竖直方向上的运动也简化为匀速直线来计算。
最终，对于雨滴粒子在水平方向和竖直方向上的运动做了如下的假设。
在水平方向上雨滴粒子只受到风力的作用，风力的方向一定，风力大小会随着时间在一定的范围内随机变化，且雨滴粒子在x方向的初始速度为零。
所以雨滴粒子在x方向的运动可以用如下公式来表示：其中，St表示第t个时间单位末在水平方向雨滴的位置，ΔSt+1表示在第t+1个时间单位里雨滴位移的增量，Vt表示t时刻雨滴的速度，at表示雨滴粒子在第t 个时间单位里在水平方向上的加速度，Δt表示两帧之间的时间间隔。
在竖直方向上，设每个雨滴粒子都达到了终极的匀速运动。
则雨滴在y方向的运动过程可以如下公式表示：其中，St表示t时刻雨滴的位置，ΔS表示在第t+1个时间单位雨滴位移的增量，V表示雨滴的速度，Δt表示两帧之间的时间间隔。
2.3 雨滴粒子的形状胡忆默［8］在《水滴形状的真相》一文中提到，真实的雨滴不像泪珠，而是像一粒粒小馒头—上圆下扁。
邵雪辉等［9］在探讨雨滴相关问题时也提到了雨滴的形状，认为其应该为流线型。
但是在做模拟的时候主要是考虑整个雨景的真实感，是从整体上考虑的，所以可以对其形状做些必要的简化。
综合考虑雨滴在下落过程中形状的不确定性，将雨滴粒子简化为四边形面片，采用一种新的方法来生成雨滴的形状。
如图1中Ⅰ图所示的BMP图片作为最基础的雨滴粒子图，在绘制雨滴的过程中分别对图Ⅰ进行竖直方向上的等比例拉伸和非等比例拉伸来生成图Ⅱ和图Ⅲ的两种雨滴粒子效果。
然后采用OpenGL的纹理融合技术，将图Ⅱ或图Ⅲ所示的雨滴的二维纹理图片映射到四边形面片上，就生成了雨滴粒子。
当雨滴接近地面时、夏天大暴雨时、或者风力很大时的速度将会很快，再加上人眼的视觉残留效应，使得看到的雨滴呈流线型。
