大规模球形海洋建模与渲染关键技术研究

发布时间：2017-12-08 18:30

  本文关键词：大规模球形海洋建模与渲染关键技术研究

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【摘要】：海洋总面积约为3.6亿平方公里,占地球表面积的71%,是自然界的重要组成部分。海洋又以波浪、潮汐、洋流等方式进行运动,影响着气候的变化、生物的分布、航海事业的发展,与人类的生活息息相关。另外,海洋拥有十分丰富的矿产、生物资源,在军事部署,增强国防实力方面起着十分重要的作用,是各国高度关注的战略要地。因此,海洋在虚拟战场模拟,数字地球,航海训练,计算机游戏,电影动画,天气预测,海洋渔业等领域具有广泛的应用。但由于海洋波浪运动的无规律性、海洋面积的大范围特征、海面在波动情况下与阳光、天空等光影交互的复杂性,对海洋渲染的实时性和真实感都有比较高的要求。所以对于海洋的仿真既十分必要但又具有很高的挑战性。对此,本文从海洋模拟的实时性和真实感两个方面出发,结合前人在海洋运动学和水体渲染方面已取得的成果,根据实际科研项目的要求,对前人的工作进行整理、改进、融合。采用基于GPU的快速傅立叶变换、基于视点的投影网格等技术,在实时性和真实感方面都取得不错的效果。主要研究内容包括：大规模海洋海浪建模技术的研究,球形海洋水体光影效果的研究以及球型海洋网络的绘制技术的研究。本文的主要工作如下：在海浪建模技术方面,对比了几种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,基于平滑粒子的流体动力学模型,基于正余弦波叠加的几何模型,Gerstner模型,基于分形的柏林噪声模型,基于观察统计的谱分析模型。本文为了达到较好的真实渲染效果以及不错的实时性,采用了基于Phillips谱分析的FFT(快速傅立叶变换)来产生基本符合海洋学的海平面高度。在海水光影效果渲染方面,先介绍了球形海洋的光照模型,分析了从水面上往水中看发生的反射与折射以及从水里往上看发生的反射与折射,然后通过菲涅尔法则将反射与折射按照一定比例进行结合。为了弥补计算机可渲染的颜色范围与自然界的颜色范围之间的差距,采用了HDR(高动态范围)技术来渲染阳光与水面的光影交互效果。为了实现水体颜色随深度的变化将水体深度渲染到了纹理,然后根据纹理值进行水体颜色的渐变。另外,通过泡沫纹理和焦散纹理分别实现了水面泡沫和水底焦散效果。最后,将光束投射到水体中的效果通过Godray(体积光)技术呈现出来。在海洋网格绘制方面,先介绍了LOD的基本概念,结合前人的无边际平面海洋的绘制技术,比较了基于LOD的方形网格技术,具有放射性的圆形和椭圆形网格技术。然后介绍了投影平面分割算法、坐标转换以及海洋可见区域的判断,只绘制出能看见的海体部分,进一步提高了海洋渲染的实时性。最后,从大规模球形海洋仿真系统的具体实现出发,提出了系统需要提高和改进的地方,以及对于未来技术发展的展望。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P715;TP391.41
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本文编号：1267422