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海浪的行为特征建模与实时绘制研究

作　者: 曾建英
导　师: 杨克俭
学　校: 武汉理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 海浪模拟 Gerstner-Rankine LOD技术 Bezier 卷浪
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 127次
引　用: 2次
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内容摘要

近年来,自然景物的模拟一直是计算机图形学领域最具挑战的问题之一,作为自然景物之一的海洋,约占地球表面总面积的70%,是一个巨大的水体,有着丰富的物质资源,是天然的交通平台,同时海浪又是一个十分复杂的自然现象,无论从时间上还是空间上都具有不规则性,所以海浪建模与绘制研究成为计算机图形学和虚拟现实领域的重点和难点。此外,海浪的模拟研究不仅仅在计算机图形学、虚拟现实应用、军事仿真、娱乐、海洋监测开发等领域具有重要的意义,而且对于水力学、流体力学、波动力学、海洋学等都具有重要的实际意义。虚拟海洋场景中,海浪建模是一个非常重要的方面,通常的虚拟场景不仅要求海浪建模计算量小,渲染速度快,而且还需要占用更少的内存空间。随着虚拟现实技术的发展,人们对虚拟效果的真实感要求也越来越高。基于此,本文为了着力表现海浪不规则波动性,在Gerstner-Rankine海浪模型基础上,引入高度场技术,使用统计思想采用多个波进行叠加的方法来产生海浪波动效果。并从现实观察场景出发,采用LOD技术构建符合人观察习惯的三通道梯形网格模型,以达到减少网格采样点,提高绘制速度的目的。采用该方法构建的网格,由于占用了不同的网格单元,且每个网格通道的运动步调不一致,所以造成了网格边缘裂缝,本文使用缝补技术实现各网格通道之间的无缝连接。卷浪过程的模拟一直是海浪行为特征模拟的重点和难点之一。传统的卷浪建模方法或者过于追求模型的精确性,使用极其复杂的建模方法,造成计算时间过长而无法实时渲染;或者为了追求速度,将模型作了大量简化以致于不能生成逼真的卷浪场景;又或者着力在卷浪的模拟,而忽视了背景海浪的无规则波动性。因此,本文在Gerstner-Rankine模型以及高度场技术的基础上,通过重算特定范围的波浪来生成卷浪,较好地实现了不同模型间的平滑过渡以及卷浪和背景海浪交互的效果。绘制卷浪过程中,本文使用Bezier曲线重算卷浪部分。确定波形的控制点可以生成Bezier曲线,随着时间变化曲线控制点位置以及点之间斜率也随之发生变化,从而在视觉上达到波浪翻卷变化的效果。同时,采用粒子系统模拟卷浪翻卷过程中的泡沫现象,以增加卷浪的真实感效果。从最后实验结果看,一般海浪以及卷浪的行为与特征模拟效果基本能够达到要求。但是,卷浪过程复杂,包括卷起阶段,前涌阶段等过程,对于这些过程的完善仍然是下一步研究工作的重点。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-14
  1.1 课题来源与问题提出  9-10
    1.1.1 课题来源  9
    1.1.2 问题提出  9-10
  1.2 课题研究意义和目的  10-11
  1.3 国内外研究现状  11
  1.4 本文研究的主要内容  11-12
  1.5 本文的组织  12-14
第2章海浪行为建模  14-24
  2.1 海浪模型  14-18
    2.1.1 Gerstner-Rankine模型  14-16
    2.1.2 卷浪模型  16-18
  2.2 高度场  18-19
  2.3 海浪频谱  19-22
  2.4 海浪方向谱  22-23
  2.5 本章小结  23-24
第3章海面网格与绘制  24-33
  3.1 网格与LOD技术  24-27
  3.2 网格模型构建  27-29
  3.3 三角网格细化绘制  29-31
  3.4 Bezier曲线绘制  31-32
  3.5 本章小结  32-33
第4章海浪模拟  33-66
  4.1 开发环境  33-35
    4.1.1 建立OpenGL开发环境  33-34
    4.1.2 建立OpenGL图形调试环境  34-35
  4.2 建立自适应网格模型  35-39
    4.2.1 现实观察场景分析  35-36
    4.2.2 三通道梯形网格模型  36-39
  4.3 网格单元的边缘缝补  39-41
  4.4 海浪模型的建立  41-43
    4.4.1 Gerstner-Rankine模型的修改  41-42
    4.4.2 高度场的计算  42-43
  4.5 卷浪的绘制  43-46
    4.5.1 绘制方式  43-44
    4.5.2 卷曲起始点与范围确定  44
    4.5.3 海浪卷起阶段的计算  44-45
    4.5.4 海浪前涌阶段  45-46
  4.6 泡沫的绘制  46-47
    4.6.1 粒子系统基本模型  46
    4.6.2 创建泡沫模型  46-47
  4.7 海浪渲染  47-52
    4.7.1 光照  47-50
    4.7.2 纹理映射  50-52
  4.8 基于面向对象思想的实现  52-59
    4.8.1 面向对象编程的特点  52-53
    4.8.2 海浪行为模拟的编程实现  53-59
  4.9 实验与结论分析  59-64
    4.9.1 三通道梯形网格与海浪效果分析  59-63
    4.9.2 卷浪实现效果分析  63-64
  4.10 本章小结  64-66
第5章总结和展望  66-68
  5.1 研究工作的总结  66
  5.2 研究工作的展望  66-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
攻读硕士学位期间发表的论文  72

海浪的行为特征建模与实时绘制研究

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