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虚拟环境中海洋场景建模与绘制研究及实现

作　者: 王锐
导　师: 韦穗
学　校: 安徽大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 计算机动画海面仿真光照模型 Perlin噪声波浪粒子投影网格
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 71次
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内容摘要

计算机动画的虚拟场景建模一直是计算机图形学领域具有挑战性的热点问题,无论在电影特技、广告,还是游戏、动漫等各个领域都有广泛的应用和发展的空间。水流模拟是自然景物模拟的一部分,正日益引起研究者的关注,与其它景物相比,由于水流的运动变化具有复杂性和不规则性而变的难以模拟。海洋场景的绘制作为水流模拟的一个分支,因其逼真的场景和宏大的场面已成为许多三维游戏以及影视特效中必不可少的组成部分。要准确的实现对海洋场景的动态仿真,不但要兼顾真实感和实时性,同时还要综合分析并优化海面仿真、天空的光照模型、场景渲染等功能模块。本文首先介绍了具有代表性的水流模拟方法并比较各自优缺点,在对流体动画和虚拟海洋场景建模与绘制方法的研究基础上,提出了用多重Perlin噪声的叠加和波浪粒子相结合的方法建立实时海洋动画场景。主要研究内容包括海面建模与绘制；海洋场景中船航行特效仿真；天空和海洋环境的光线效果模拟。主要工作如下：在对海浪特点进行研究的基础上,首先采用不同频率的Perlin噪声叠加生成噪声分型面,用波浪粒子和投影网格绘制技术模拟动态变化的海面；在对海面场景特效建模方面,采用波浪粒子来跟踪水波的运动,从而快速、简便的实现了水面上船运动产生的水波特效；为了得到更加逼真的海洋场景,采用天空球算法对天空进行绘制,引入了GPU加快海面渲染的计算速度,通过光线跟踪和二维纹理查找表实现天空和海面的光照效果,最后生成了交互的、真实感强的海洋场景。实验仿真结果表明,用该方法渲染的海洋场景具有很好的真实感和实时性。最后,总结和分析了本论文的研究工作,对虚拟海洋场景建模的研究方向提出几点想法和进一步展望。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-16
  1.1 课题研究的意义和应用前景  9-12
    1.1.1 研究的科学意义  9-10
    1.1.2 应用前景  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-14
    1.2.1 国外流体和海洋建模研究现状  12-13
    1.2.2 国内流体和海洋建模研究现状  13-14
  1.3 本文的主要研究工作  14-15
  1.4 论文的组织结构  15-16
第二章海洋流体建模方法  16-28
  2.1 海面建模方法  16-22
    2.1.1 基于谱的方法  16
    2.1.2 Perlin噪声函数方法  16-17
    2.1.3 几何模型的方法  17
    2.1.4 基于物理模型方法  17-22
  2.2 基于粒子的水流模拟方法  22-26
    2.2.1 粒子系统简介  22-23
    2.2.2 粒子系统基本原理  23-26
  2.3 水流模拟的其它方法  26-28
    2.3.1 水平集算法  26-27
    2.3.2 粒子水平集(Particle Level Set)算法  27-28
第三章海洋场景的建模  28-44
  3.1 概述  28
  3.2 基于Perlin噪声的海洋模型  28-32
  3.3 海面场景的实现方法  32-35
  3.4 海面场景的特效建模与绘制方法  35-44
    3.4.1 基于Kelvin船行波模型  37-38
    3.4.2 波浪粒子的船行波建模  38-44
第四章天空效果模拟和海面渲染  44-55
  4.1 纹理技术  44-45
    4.1.1 纹理定义  44
    4.1.2 纹理映射  44-45
  4.2 天空模拟  45-50
    4.2.1 天空场景模型  46-49
    4.2.2 动态云层模拟  49-50
  4.3 海面场景渲染  50-55
第五章海面的建模与绘制实现  55-60
  5.1 系统开发环境  55-56
  5.2 海洋场景的功能模块和结构  56-57
  5.3 实验结果  57-59
  5.4 本章小结  59-60
第六章总结和展望  60-62
  6.1 论文的主要工作总结  60
  6.2 展望  60-62
参考文献  62-67
致谢  67-68
攻读硕士期间发表的论文  68
攻读硕士期间参加的科研项目  68

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