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图形引擎中大规模海洋的实时渲染与交互技术研究与实现

作　者: 孙磊
导　师: 陈雷霆
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 图形引擎 投影网格 实时渲染 海洋模拟 海洋交互
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


近年来,随着计算机硬件的不断发展,计算机三维图形技术走进了游戏、影视广告等行业,而三维图形引擎技术是大型三维应用的基础和重要支撑,也逐渐成为计算机图形学中的一个研究热点。由于自然场景模拟在各个行业中的应用越来越频繁,将这种关键技术封装到图形引擎中势在必行,一方面这能很好支持对大型图形应用的开发,另一方面也能体现图形引擎自身的技术水平。在众多自然场景中,海洋由于具有行为复杂性、规模庞大、没有确定的运动轨迹等特点使得对海洋的模拟具有很大难度和挑战性。针对当前的发展现状,本文以三维图形引擎和海洋模拟为课题对相关技术进行了分析和研究。本文首先从图形引擎着手,介绍了当前国内外的主流三维图形引擎及其技术特点,然后详细分析国外著名的开源图形引擎Irrlicht的整体框架和架构,并在汲取了该引擎的技术优点和摒弃其不足的基础之上,设计了具有自主知识产权的面向大型室外图形应用的三维图形引擎Gingko的主框架。由于Gingko引擎具有很好的架构模式,因而用户可以很方便的实现引擎的功能扩展。Gingko图形引擎的核心层包括资源管理、场景管理、消息处理、渲染管理等模块,本文设计和实现了其中两个重要模块——场景管理和资源管理。其次,本文详细的研究了当前海洋模拟的国内外技术现状,分析和总结当前海洋建模技术和交互技术的优劣点,并针对当前一些技术的不足进行了改进。在海平面网格建模方面,以基于LoD思想的投影网格算法为基础提出了一种不均匀采样的投影网格算法。在海面光照交互技术的研究中,分析了船行波理论,并采用了粒子系统来模拟舰船尾痕;对海面光照的处理则是采用了纹理映射的方法。在掌握了海洋模拟相关技术的基础上,本文第六章还实现了一个基于Gingko图形引擎的海洋仿真系统,。本文在最后对全文进行了总结和展望,提出了一些改进建议,并指出了几个具有一定价值的研究和发展方向。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-21
  1.1 引言  10-11
  1.2 课题背景  11
  1.3 国内外研究现状  11-18
    1.3.1 图形引擎技术  11-15
    1.3.2 大规模海洋渲染技术  15-18
  1.4 研究的目的及意义  18-19
  1.5 本文的主要研究内容和工作  19
  1.6 论文的章节安排  19-21
第二章 图形引擎背景及相关技术介绍  21-39
  2.1 图形引擎背景  21-23
    2.1.1 图形引擎的概念  21
    2.1.2 当前主流图形引擎的介绍  21-23
  2.2 图形引擎的架构分析  23-27
  2.3 图形引擎中常用的设计模式介绍  27-37
    2.3.1 设计模式的概念  27-28
    2.3.2 设计原则  28-30
    2.3.3 引擎设计中常用的设计模式  30-37
  2.4 GPU 编程介绍  37-38
  2.5 本章小结  38-39
第三章 图形引擎架构和主要功能模块的设计与实现  39-52
  3.1 Gingko 图形引擎介绍  39-40
  3.2 图形引擎的模块划分及功能介绍  40-42
  3.3 图形引擎的主框架设计与实现  42-46
    3.3.1 主框架的概述  42
    3.3.2 Gingko 主框架的设计  42-44
    3.3.3 Gingko 的工作流程  44-46
  3.4 图形引擎场景管理系统设计与实现  46-48
    3.4.1 场景管理的设计思想  46
    3.4.2 场景管理模块结构的设计  46-47
    3.4.3 生场景管理算法  47-48
  3.5 图形引擎资源管理系统设计与实现  48-50
    3.5.1 资源管理的内容  48-49
    3.5.2 资源管理模块结构的设计  49
    3.5.3 资源管理系统的实现  49-50
  3.6 Gingko 引擎的测试报告  50-51
  3.7 本章小结  51-52
第四章 大规模海洋的实时渲染关键技术研究  52-69
  4.1 海洋模拟的实现步骤  52-53
  4.2 海面网格的建模算法  53-59
    4.2.1 放射性LoD 网格  53-54
    4.2.2 椭圆网格  54-56
    4.2.3 投影网格  56-59
  4.3 基于投影网格的建模方法  59-62
    4.3.1 算法的改进  59-61
    4.3.2 算法的实现  61-62
  4.4 海浪建模技术  62-68
    4.4.1 Navier-Stokes 物理模型  63-65
    4.4.2 谱分析模型  65-68
  4.5 本章小结  68-69
第五章 海洋交互技术研究  69-81
  5.1 舰船航迹的模拟  69-75
    5.1.1 船行波的概述  69-70
    5.1.2 船行波的模拟方法  70-75
  5.2 海面与光的交互  75-80
    5.2.1 光线跟踪技术  75-76
    5.2.2 基于纹理映射的海面光照处理  76-80
  5.3 小结  80-81
第六章 大规模海洋仿真系统的设计与实现  81-95
  6.1 系统整体架构  81-84
    6.1.1 系统设计目标  81
    6.1.2 系统的结构设计与模块划分  81-82
    6.1.3 模块功能介绍  82-84
    6.1.4 工作流程图  84
  6.2 海洋建模的实现  84-89
    6.2.1 投影网格生成模块结构设计  85-86
    6.2.2 高度场生成模块结构设计  86-87
    6.2.3 FFTW 库的使用  87-88
    6.2.4 FFT 的算法封装实现  88-89
  6.3 光照交互的实现  89-92
    6.3.1 光照交互模块的设计  90
    6.3.2 光照交互模块采用的技术  90-92
  6.4 实验结果和讨论  92-95
    6.4.1 实验环境  92-93
    6.4.2 实验结果  93-95
第七章 总结与展望  95-97
  7.1 工作总结  95-96
  7.2 工作展望  96-97
致谢  97-98
参考文献  98-101

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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