基于GPU的地球大气散射现象可视化仿真

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1、第21卷增刊2系统仿真学报©Vol.21Suppl.22009年11月JournalofSystemSimulationNov.,2009基于GPU的地球大气散射现象可视化仿真杜芳，张炎，晁建刚，王金坤（中国航天员科研训练中心,北京10094）摘要：渲染真实的地球环境可以提高视景仿真系统的逼真度，增强航天员训练时的沉浸感。为了提高视景显示的真实感和实时性，研究基于可编程图形硬件GPU仿真地球大气散射现象的方法，探讨了大气散射模型，并基于GPU的可编程性给出了实现方法和过程。结果表明该方法提高了实时渲染效率，增强了视景仿真系统的真实感。关键词

2、：大气散射；可编程GPU；可视化仿真;航天员训练中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1004-731X(2009)S2-0147-04VisualSimulationofAtmosphericScatteringonEarthBasedonGPUDUFang,ZHANGYan,CHAOJian-gang,WANGJin-kun(ChinaAstronautResearchandTrainingCenter,Beijing10094,China)Abstract:Rendingtherealearthenvironmentishel

3、pfultoincreasetherealityofvisionsimulationsystem,soitcanboosttheastronauts’immersionfeelingduringtheirtraining.ThemethodtosimulateatmosphericscatteringontheearthwasstudiedbasedonGPU,andthemodelofatmosphericscatteringwasdiscussed,finallytherealizationwasgiven.Theresultshows

4、thatthemethodcouldimproverendingefficiencyandtherealityofvisionsimulationsystem.Keywords:atmosphericscattering;programmableGPU;visualsimulation;astronauttraining1层又叫大气圈，地球就被这一层很厚的大气层包围着。大气引言层的成分主要有氮气，占78．1％，氧气占20．9％，氩气载人航天工程不仅规模宏大，费用可观，而且具有很高占0．93％，还有少量的二氧化碳、稀有气体（氦气、氖气、的风险

5、性。在载人飞船进入太空前，航天员需要熟练掌握操氩气等）和水蒸汽。大气层的空气密度随高度而减小，越高作飞船的技能。从安全和经济方面考虑，通常在地面环境下空气越稀薄，厚度大约在1000千米以上，但没有明显的界采用模拟手段训练航天员，这是一项重要的、必不可少的工限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、作。航天飞行训练模拟器是训练航天员操作飞船的重要地面平流层、中间层、暖层和散逸层，再上面是星际空间。图1设备之一，为确保航天员的安全以及载人航天飞行成功提供是神舟七号飞船从太空中拍到的地球照片，从照片可以看到了重要保障。其中视景系统是航

6、天飞行训练模拟器的重要组地球边缘有裹着一层蓝色的光晕，这就是大气散射引起的。成部分，为航天员训练提供一个逼真的视觉环境：地球地貌、星空、云等。从外太空观察地球时，地球仿佛穿上了蓝色的外衣，这其实是大气散射引起的。生成真实的大气散射对渲染真实的地球环境非常重要，可以提高视景系统的逼真度，从而增强航天员的沉浸感，这也一直是计算机图形学领域的难题。为了提高仿真可视化系统的实时显示性能和增强图形质量，本文基于可编程GPU，模拟实现航天员从外太空看到的地球大气散射现象。1大气散射模型1.1地球大气层图1神舟七号飞船从太空拍到的地球照片如果我们乘坐宇宙

7、飞船或航天飞机俯看地球，地球被一1.2大气散射算法层淡蓝色的外衣包裹着，这层外衣就是的地球大气层。大气大气散射是由于光线与空气中的灰尘和微粒相互作用收稿日期：2009-06-10修回日期：2009-07-14引起的，其在地球所有的自然现象中扮演重要角色。最常见作者简介：杜芳(1982-)，女，山东嘉祥，硕士，研究实习员，研究方向[1-2]的大气散射形式有Rayleigh散射和Mie散射，Rayleigh为航天飞行训练模拟技术；张炎(1978-)，男，湖北天门，硕士，助理研究员，研究方向为航天飞行训练模拟技术；晁建刚(1972-)，男，陕西扶

8、散射是由空气中的小分子引起的，而且它对波长短的光散射风，副研究员，研究方向为航天飞行训练模拟技术；王金坤(1978-)，男，更强（首先是蓝色，然后是绿色和红色）。天空是蓝色的，湖