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3D引擎中大规模海面实时渲染及场景管理研究与实现

作　者: 程勇新
导　师: 朱清新
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机应用
关键词: 水面渲染投影网格虚拟现实 FFT 三维图形引擎
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 232次
引　用: 2次
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内容摘要

随着计算机软硬件技术的不断发展,三维图形引擎技术逐渐成为计算机图形学的主要研究内容之一。它在虚拟现实、数字城市、影视广告、计算机辅助设计和科学计算可视化等各个方面都发挥着巨大的作用。用计算机模拟自然界的各种自然现象是三维图形引擎中的关键技术。自然景物有着形态复杂,随机变化等特点,难以用确定的数学模型来表达和研究。与模拟火焰、云、山脉和雨水等自然现象相比,海面以其复杂的运动规则和光学特性使得对海面的模拟更加具有挑战性。对此,本文从国内外的研究现状出发,对海面的几何建模和光学建模进行深入研究,并在海面网格生成技术和大规模海面的场景管理上进行改进。从而给出大规模海面实时渲染的步骤和大规模海面场景管理的优化算法。在海面的几何建模方面,以现有的投影网格LOD算法为出发点,构造出限制采样精度的投影网格,此方法改进了旧的投影网格算法在视点离水面较近时采样频率陡增,采样点过密而导致水面网格不平滑的现象,能很好地与快速傅立叶变换(FFT)算法生成的水面相结合。同时该算法也在一定程度下减少了投影网格的三角形面片数,提高了渲染效率。在海面高度场的生成方面,本文对各种文献资料进行深入分析研究之后,运用海洋统计学公式模拟出复杂的海面起伏的效果。并且这种统计海波算法可以表示为FFT的形式。因此,采用这种算法,可以快速的将各种不同频率的波混合叠加在一起,产生具有更加复杂行为的波,这样就可以模拟出非常逼真的海面效果。在光学建模方面,本文改进了HDR算法和基于纹理动画的Normal Mapping算法,并提出了将多种光学效果融合的计算公式,提高了海面的光效真实感。在大规模海面场景的管理方面,通过对渲染流程的改进,实现了对海面场景管理的特殊性要求。可以对海面、海底场景进行正确的裁减,减少不必要的渲染,提高渲染速度。此外,通过在原创的三维图形引擎中将上述算法实现,得到了相应的实验结果。应用证明上述算法很好地满足了虚拟海面的实时漫游的需要。最后,对海面实时渲染的算法进行小结,并提出了改进建议以及进一步的展望。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章引言  11-17
  1.1 课题研究的目的与意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-15
  1.3 本文工作  15
  1.4 本文内容组织  15-17
第二章海面建模技术  17-36
  2.1 三维图形引擎渲染原理  17-20
    2.1.1 三维图形引擎简介  17-18
    2.1.2 三维图形引擎的架构  18-19
    2.1.3 三维图形引擎渲染流程  19-20
  2.2 海面渲染流程  20-21
  2.3 海面网格建模  21-28
    2.3.1 海面的LOD 网格表示  21-28
  2.4 海面模型  28-35
    2.4.1 Navier-Stokes 模型  29-30
    2.4.2 Gerstner 模型  30
    2.4.3 FFT 模型  30-34
    2.4.4 Perlin 噪声模型  34-35
  2.5 小结  35-36
第三章场景管理技术  36-43
  3.1 场景图  36-37
  3.2 场景管理算法  37-40
    3.2.1 八叉树算法  38
    3.2.2 BSP 树算法  38-40
  3.3 场景管理系统  40-42
    3.3.1 基本架构  40-41
    3.3.2 渲染队列算法  41-42
  3.4 小结  42-43
第四章大规模海面建模设计与实现  43-58
  4.1 基于GPU 的海面网格算法改进  43-49
    4.1.1 投影网格的CPU 计算部分  43-45
    4.1.2 投影网格的GPU 计算部分  45-49
  4.2 FFT 的海面高度场生成  49-54
    4.2.1 FFT 高度场算法实现  49-50
    4.2.2 FFTW 算法库  50-51
    4.2.3 FFT 算法类实现  51-53
    4.2.4 利用FFT 生成Choppy waves  53-54
  4.3 限制采样频率的投影网格改进  54-57
    4.3.1 投影网格采样过高的缺点  54-55
    4.3.2 改进算法  55-56
    4.3.3 实现效果  56-57
  4.4 小结  57-58
第五章海水渲染实现  58-72
  5.1 反射实现  58-60
  5.2 折射实现  60-61
  5.3 改进高动态范围效果实现  61-63
  5.4 基于纹理动画的 Normal mapping 算法改进  63-65
  5.5 菲涅尔效果实现  65-66
  5.6 实时焦散效果实现  66-68
  5.7 水下雾化效果实现  68-69
  5.8 渲染特效综合  69-71
  5.9 小结  71-72
第六章海面场景管理系统设计与实现  72-87
  6.1 海面场景管理算法改进  72-78
    6.1.1 八叉树裁剪算法改进  72-75
    6.1.2 海面倒影和折射场景管理  75-76
    6.1.3 海面场景渲染顺序设计  76-78
  6.2 海面场景管理系统设计  78-82
    6.2.1 引擎总体架构  78-79
    6.2.2 系统需求描述  79-80
    6.2.3 海面场景管理系统架构  80-81
    6.2.4 系统处理流程  81-82
  6.3 海面场景管理类设计与实现  82-86
    6.3.1 主要模块设计  82-84
    6.3.2 海面场景管理器类  84-86
  6.4 小结  86-87
第七章实验结果  87-91
  7.1 实验环境  87
  7.2 结果和分析  87-90
    7.2.1 帧频率比较  87-88
    7.2.2 海面的交互性  88
    7.2.3 海面光效  88-89
    7.2.4 场景管理算法效果  89-90
  7.3 小结  90-91
第八章总结与展望  91-93
  8.1 工作总结  91
  8.2 工作展望  91-93
致谢  93-94
参考文献  94-97
攻硕期间取得的研究成果  97-98

3D引擎中大规模海面实时渲染及场景管理研究与实现

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