大规模海洋场景中海面光学现象的实时绘制研究

论文摘要

虚拟海洋环境的实时模拟一直是计算机图形学仿真领域的研究热点,应用场景非常广泛,在船舶系统仿真、电影特效、游戏制作、海洋天气预警等方面具有重要的科研及娱乐价值。为丰富海面光学效果,实现高质量海洋场景的实时渲染,本文使用海浪谱方法构建海洋模型,并应用同心圆网格与改进的投影纹理映射算法,在保证实时性的前提下,模拟海面的反射焦散与阴影现象。首先,为保证海洋场景的实时性,并且增加波浪的短波细节,使用傅里叶快速变换技术采样长短波统一方向谱,构建海洋表面的高度场,以模拟波浪运动;为进一步加快场景的渲染,将同心圆网格作为场景的网格模型基础,降低对远处物体渲染的资源消耗,实现多层次细节效果。其次,为模拟海面的反射焦散现象,使用投影纹理映射算法显示焦散纹理。针对投影纹理映射算法缺乏现实依据的问题,提出空间均匀划分算法,以降低因遍历全部海面顶点带来的计算压力,在确定焦散显示范围的同时提高仿真速率;针对投影区域边缘平齐的问题,使用柏林噪声对焦散纹理的边缘进行扰动,实现纹理动态变化的效果。再次,针对海面无法接收阴影的问题,分析模型渲染的顺序,将海水材质的渲染放在透明物体之前,以实现阴影效果;针对投影纹理映射算法无法实现阴影遮挡的问题,引入渲染到纹理技术对场景二次渲染,正确表现出了被投影物体之间的位置关系,实现了遮挡效果。最后,通过设计有无焦散纹理对比、阴影遮挡效果对比等实验来验证本文方法的有效性与实时性。实验结果表明,使用本文渲染方法能够有效的模拟海洋中的反射焦散与阴影遮挡现象,增强了海洋场景中的细节及真实感,同时满足了实时性的要求。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究工作现状

1.2.1 海面波浪建模工作

1.2.2 海洋焦散现象研究

1.3 海洋光学现象实时模拟的难点与问题

1.4 研究内容与预期研究目标

1.5 文章结构

第2章海洋场景中波浪运动模拟

2.1 海面波浪建模

2.1.1 波浪建模方法分析

2.1.2 海浪谱的选择

2.1.3 海洋波浪的构建

2.2 LOD技术

2.3 本章小结

第3章海面反射焦散现象的实时模拟

3.1 焦散模拟方法

3.1.1 全局光照模型

3.1.2 投影映射法

3.2 物体表面焦散的生成

3.2.1 平行光反射区域的确定

3.2.2 对焦散纹理边界的处理

3.3 本章小结

第4章海面阴影与投影遮挡的优化

4.1 海面阴影的实现

4.1.1 阴影映射的实现

4.1.2 海面阴影的渲染

4.2 投影纹理映射方法的改进

4.3 本章小结

第5章海洋场景光学效果实时模拟的设计与实现

5.1 实验平台及渲染流程分析

5.2 海洋场景海面光学现象实时模拟的设计与实现

5.2.1 系统功能模块设计

5.2.2 海面波浪运动的实现

5.2.3 海面反射焦散的实现

5.2.4 海面阴影遮挡的实现

5.3 实验效果对比分析

5.3.1 大规模海洋环境波浪运动的效果

5.3.2 海面反射焦散现象的对比与分析

5.3.3 阴影遮挡效果的对比与分析

5.3.4 算法应用扩展

5.3.5 海洋场景中光学效果模拟实时性分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王赛

导师: 唐勇,赵静萍

关键词: 海洋,快速傅里叶变换,焦散,投影纹理映射,阴影

来源: 燕山大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 燕山大学

分类号: P229

DOI: 10.27440/d.cnki.gysdu.2019.001374

总页数: 71

文件大小: 2009K

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