大規(guī)模球形海洋建模與渲染關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、海洋總面積約為3.6億平方公里，占地球表面積的71％，是自然界的重要組成部分。海洋又以波浪、潮汐、洋流等方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，影響著氣候的變化、生物的分布、航海事業(yè)的發(fā)展，與人類的生活息息相關(guān)。另外，海洋擁有十分豐富的礦產(chǎn)、生物資源，在軍事部署，增強(qiáng)國防實(shí)力方面起著十分重要的作用，是各國高度關(guān)注的戰(zhàn)略要地。因此，海洋在虛擬戰(zhàn)場模擬，數(shù)字地球，航海訓(xùn)練，計(jì)算機(jī)游戲，電影動(dòng)畫，天氣預(yù)測，海洋漁業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但由于海洋波浪運(yùn)動(dòng)的無規(guī)律性、海

2、洋面積的大范圍特征、海面在波動(dòng)情況下與陽光、天空等光影交互的復(fù)雜性，對海洋渲染的實(shí)時(shí)性和真實(shí)感都有比較高的要求。所以對于海洋的仿真既十分必要但又具有很高的挑戰(zhàn)性。
　　對此，本文從海洋模擬的實(shí)時(shí)性和真實(shí)感兩個(gè)方面出發(fā)，結(jié)合前人在海洋運(yùn)動(dòng)學(xué)和水體渲染方面已取得的成果，根據(jù)實(shí)際科研項(xiàng)目的要求，對前人的工作進(jìn)行整理、改進(jìn)、融合。采用基于GPU的快速傅立葉變換、基于視點(diǎn)的投影網(wǎng)格等技術(shù)，在實(shí)時(shí)性和真實(shí)感方面都取得不錯(cuò)的效果。主要研究內(nèi)容包

3、括：大規(guī)模海洋海浪建模技術(shù)的研究，球形海洋水體光影效果的研究以及球型海洋網(wǎng)絡(luò)的繪制技術(shù)的研究。本文的主要工作如下：
　　在海浪建模技術(shù)方面，對比了幾種基于不同模型的海浪建模方式，包括：基于Navier-Stokes方程的物理模型，基于平滑粒子的流體動(dòng)力學(xué)模型，基于正余弦波疊加的幾何模型，Gerstner模型，基于分形的柏林噪聲模型，基于觀察統(tǒng)計(jì)的譜分析模型。本文為了達(dá)到較好的真實(shí)渲染效果以及不錯(cuò)的實(shí)時(shí)性，采用了基于Phillips

4、譜分析的FFT（快速傅立葉變換）來產(chǎn)生基本符合海洋學(xué)的海平面高度。
　　在海水光影效果渲染方面，先介紹了球形海洋的光照模型，分析了從水面上往水中看發(fā)生的反射與折射以及從水里往上看發(fā)生的反射與折射，然后通過菲涅爾法則將反射與折射按照一定比例進(jìn)行結(jié)合。為了彌補(bǔ)計(jì)算機(jī)可渲染的顏色范圍與自然界的顏色范圍之間的差距，采用了HDR（高動(dòng)態(tài)范圍）技術(shù)來渲染陽光與水面的光影交互效果。為了實(shí)現(xiàn)水體顏色隨深度的變化將水體深度渲染到了紋理，然后根據(jù)紋理

5、值進(jìn)行水體顏色的漸變。另外，通過泡沫紋理和焦散紋理分別實(shí)現(xiàn)了水面泡沫和水底焦散效果。最后，將光束投射到水體中的效果通過Godray(體積光)技術(shù)呈現(xiàn)出來。
　　在海洋網(wǎng)格繪制方面，先介紹了LOD的基本概念，結(jié)合前人的無邊際平面海洋的繪制技術(shù)，比較了基于LOD的方形網(wǎng)格技術(shù)，具有放射性的圓形和橢圓形網(wǎng)格技術(shù)。然后介紹了投影平面分割算法、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及海洋可見區(qū)域的判斷，只繪制出能看見的海體部分，進(jìn)一步提高了海洋渲染的實(shí)時(shí)性。