【硕士论文】基于真实感图形技术的虚拟海面场景研究

河北工业大学硕士学位论文i基于真实感图形技术的虚拟海面场景研究摘要自然现象的模拟一直以来都是计算机图形图像领域最具有挑战性的研究方向之一，它被广泛地应用于计算机动画、电影游戏制作、纹理制作、虚拟现实和工程领域。海浪是自然现象的重要组成部分，对海水的实时模拟已经成为计算机游戏、虚拟现实应用以及电影制作的强有力的辅助工具，同时对于水力学、流体力学、波动力学、海洋学等都具有重要的实际意义。随着虚拟现实技术的发展、计算机实时三维图像系统以及可编程图形硬件在PC机上的应用，使得海水的模拟研究取得了很大的进展。论文首先介绍了虚拟现实技术以及海水实时绘制技术目前的研究进展情况。接着在分析了己有的几种主要海水建模模型之后，提出了自己的算法：利用Perlin噪声和余弦波生成一组海面高度场，然后通过插值来实时计算海面的高度，再利用投影网格算法来进行优化减少计算量，最后通过光照来增加海面的真实感效果。根据上述算法，我们实现了一个海浪原型系统，可根据模型中的参数调节来模拟不同风浪的海面。实验结果表明，上述算法达到较好的逼真效果和比较满意的实时绘制速度。关键词：海水模拟，实时绘制，投影网格，顶点处理器，像素处理器://www.40ok.com/1.76基于真实感图形技术的虚拟海面场景研究iiRESEARCHOFVIRTUALOCEANSCENEBASEDONREALISTICGRAPHTECHNOLOGYABSTRACTSimulationofnaturalscenesisoneofthegreatestchallengesincomputergraphics,anditisappliedwidelyinCGcartoon、games、films、texturemaking、virtualrealityandengineeringdomain.Oceanwavesareanimportantpartofnaturalscenes.Thesimulationofoceanwaterhasbecomethemostimportanttoolofcomputergames,virtualrealityandfilmsmaking.Ontheotherhand,theresearchofoceanwatersimulationissignificantnotonlyforcomputergraphicsbutalsoforhydraulics,hydrodynamics,wavemechanicsandoceanographyresearch.Withthedevelopmentandapplicationofvirtual-reality,real-time3DgraphicssystemandprogrammableGPUonpersonalcomputerplatform,theresearchofoceanwatersimulationhavebeenmadegreatprogress.Firstofall,thethesisintroducestheprocessofvirtualrealityandtheresearchofreal-timeoceanwaterrendering.Withthat,theauthoranalyzesthecurrentoceanwatermodels,andthenputsthealgorithm:Firstofall,Perlinnoisesofdifferentfrequenciesandcosinewavesareintroducedtocreatetheoceanheightfield,thentocalculatetheoceanheightthroughinterpolation,andthen,throughProjectiveGridalgorithmtoimprovetheperformanceofthedemo,finally,wecanmakethenoticeableoceanscenesbyaddingthelightingmodel.Atlast,accordingtoabovemethods,anoceanwavesdemosystemisrealized.Experimentresultsshowthat,thismethodcanmakethenoticeableimageandconsiderableFPSaswell.KEYWORDS:SimulatingOceanWater,Real-TimeRendering,ProjectiveGrid,Vertex-Shader,Pixel-Shader://www.40ok.com/1.76河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1课题研究的目的和意义在计算机图形学和虚拟现实领域中,真实感图形绘制技术一直是研究的热点之一，它的目标是根据场景的造型、材质和光源分布，生成跟真实场景在视觉效果上相差无几的图像，使观察者有身临其境的感觉。随着硬件技术和计算机图形学的高速发展，在近三十年的时间里，真实感图形绘制技术取得了举世瞩目的成就，并且已广泛应用于计算机动画、电脑游戏、影视特技、广告等众多领域，它的影响正迅速地向工业生产和社会生活的各个领域渗透。可以预料，在未来社会它必将发挥更为重要的作用。目前三维真实感图形绘制的主要对象包括曲面、实体和自然景物等，它们组成了丰富多彩的场景。而由于自然环境的随机性和复杂性,自然景物模拟已经成为真实感图形绘制领域具有挑战性的研究课题之一。随着计算机图形学的发展，人们更偏重于寻求能准确地描述客观世界中各种现象与景观的数学模型，但不仅仅寻求静态真实感，也希望能逼真地再现运动的真实感。而动态自然景象必须依据真实世界的物理规律才能得以体现。物理原理描述了物体如何运动以及物体之间如何相互影响。自然景物主要包括天空、山脉、湖泊、河流、海洋、大地、树木、花草、云、烟、雾等等。这些景物的几何形貌具有不规则性、随机性与复杂性，而对比山、树、云、烟、火焰等自然景物的模拟,关于水流、波浪的模拟又更为困难，这是因为水在不同情况下形态各异,而且显示也有其特殊的要求.另一方面，从科学研究的角度上说，海水的模拟研究不仅仅在计算机图形学领域有重要的意义，同时对于气象预报、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。§1-2课题相关技术背景随着计算机硬件技术和软件技术的飞跃发展，计算机图形学也逐渐得变得丰富和复杂，不断地衍生出新的分支学科，并和其他学科形成越来越多的交叉学科。虚拟现实（VirtualReality简称VR）就是这些学科中发展较为迅速的一门学科，它利用计算机生成一种虚拟环境，通过多种专用设备，用户可以与环境直接进行自然的交互，用户在虚拟场景中的感受，就像置身于现实世界中一样。随着虚拟现实技术的不断完善，它的应用领域也在不断的扩展，逐渐深入到人们的生活当中。虚拟海面场景的模拟系统，主要融合虚拟现实技术、三维数据可视化技术、面向对象的设计和编程技术，本文是在MS-VisualC++6.0平台下，利用DirectX9.0SDK以及nVIDIA公司的FXComposer作为开发工具来编程实现的。://www.40ok.com/1.76基于真实感图形技术的虚拟海面场景研究2§1-2-1虚拟现实技术虚拟现实，英文为VirtualReality，简称VR技术[1]，这一名词是由美国VPL公司的创建人之一拉尼尔(JaronLanier)在上世纪80年代初提出的，作为一项尖端科技，VR技术综合集成多项技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、人工智能、网络并行处理传感技术等多个领域，是一种由计算机生成的高技术模拟系统。这种技术的特点在于用计算机产生一种人为虚拟的环境，通过计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，并能与人工环境发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。虚拟现实是发展到一定水平上的计算机技术与思维科学相结合的产物，它的出现为人类认识世界开辟了一条新途径。虚拟现实实现系统的基本特征可以用图1-1[2]表示，他们的具体含义[3]分别是：图1-1虚拟现实的特征z沉浸感（Immersion）是指用户作为主角存在于虚拟环境的真实程度。z交互性（Interaction）是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度，和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。z想象力（Imagination）是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认识能力，全方位地获取知识，形成新的观念和想法。概括来讲，就是人们能够沉浸在计算机系统所描述的环境中，利用多种传感器和多维化的信息与虚拟环境进行交互作用，进而从集成的虚拟环境中得到感性和理性的认识。由于虚拟现实技术给人带来的身临其境感受，以及它的人机交互式的操作环境、实时三维空间表现能力，使得它在军事、航天领域的模拟及训练中起到了举足轻重的作用。近年来，随着计算机软、硬件技术的发展，虚拟现实技术在各行各业都得到了不同程度的发展，并且越来越显示出广阔的应用前景。虚拟城市、虚拟战场、甚至“数字地球”无一不是虚拟现实技术的应用。虚拟现实技术在今后的发展中将使众多传统行业和产业发生革命性的转变。ImmersionInteractionImagination://www.40ok.com/1.76河北工业大学硕士学位论文3§1-2-2实时三维图像生成的软硬件技术自早期计算机成像系统应用于实时视景仿真，景物内容己从初期的二维、简单景物图像发展到目前的效果越来越真实的三维复杂景物图像，计算机成像系统可以生成十分逼真的，带有各种特效的图像，现在的计算机成像系统一般都是实时三维成像系统。实时三维图像生成技术作为虚拟现实系统中关键技术，起着不可替代的重要作用。实时三维图像生成系统[4]集成了计算机、电子技术、计算机图形学等诸多学科的研究发展成果，这些学科的飞速发展带来了实时图像生成系统图像处理能力(包括图像逼真度和实时性)的迅速提高。但实时三维图像生成技术一直是虚拟现实技术的主要瓶颈，这主要是由虚拟现实系统的要求引起的。对于虚拟环境的模拟而言，实时动态的图像视觉效果是产生真实感觉的首要条件，其中有两种重要指标衡量用户所沉浸于其中的虚拟环境的模拟效果和逼真程度：其一是动态性，其二是交互延迟性。自然的动态特性要求每秒生成和显示30帧图形画面，至少不能少于10帧，否则就会产生严重的不连续和跳动感；而对于人产生的交互动作，从动作发出到画面做出正确的更新显示，其间时间延迟不应大于0.1秒，昀多不能大于0.25秒，否则在观看过程中，人会产生疲劳、烦躁的感觉，严重影响“真实”的效果。以上两种指标均依赖于系统生成图形的速度。显而易见，图形生成速度是虚拟现实的重要环节。图形生成速度主要取决于图形处理的软硬件体系结构，特别是硬件加速器的图形处理能力，以及图形生成所采用的各种加速技术。除此之外，还依赖于应用的因素、虚拟场景的复杂程度和图形生成所需要的真实感程度。在硬件水平稳定的情况下，采用合理的软件技术也可对实时三维图像系统的性能有很大提高。(1)软件技术计算机图形学[5]自从六十年代初形成以来，己经发展成为以图形专用算法和图形软件系统等为研究内容的一门成熟的学科，它通过对景物模型的计算机处理，将千变万化的图像呈现在人们的面前。计算机图形学发展的初期，人们着重解决计算机图形学存在的基本问题，例如景物坐标的表示、裁剪和隐藏线，面消除等问题，这一时期对这些基本问题的研究成果为以后图形学的发展奠定了坚实的基础。由于图形信息一目了然，具有很强的可视化，可以将很多