小规模水面与不同物体交互的实时绘制算法研究

摘要

无论是在3D游戏动画、影视特效中，还是在虚拟现实环境等实时应用程序中，水面与物体的交互仿真都有着非常重要的应用。目前的水面模型计算复杂，很难在实时条件下取得较强的真实感。为了快速真实地展示小规模水面与不同物体的双向耦合效果，本文提出一种适用于不同复杂形态物体与水面实时交互模拟的新方法。在目前的水面仿真研究中，对不同物体与水面的交互没有进行更深一步的研究，只局限于在水面建模或实现某个光学效果的层面上。为了实时模拟水面与不同物体交互，本文主要从两个方面进行研究，分别是水面与物体双向交互研究和水面整体光学效果研究。
　　首先，在保证真实性及实时性的条件下，采用基于投影网格的方法对水面建模，结合二维波动方程进行数值求解得到水面高度场，实现小规模水面的波动效果；同时，对不同复杂形态物体进行体素化，为后续交互做准备。
　　其次，针对水面与不同复杂形态物体双向交互真实感不强的问题，提出一种基于立体像素碰撞检测及计算物体受力的算法，该算法能对包含凹凸多面体在内的多种复杂形态物体进行准确高效的受力计算及与水面的碰撞检测，实时绘制出根据物体不同形状与水面交互的涟漪效果。仿真细节丰富细腻，真实感实时性均得到极大的提升。
　　再次，光对水面的作用方面，采用渲染到纹理的方法实现水面反射与折射效果，引入Blinn-phong光照模型实现不同时刻水面光照效果，计算菲涅尔系数调节反射折射比例，得到整体的光学效果。
　　最后，在 Unity3D引擎上设计并实现小规模水面交互仿真系统，本文所有实验效果均是实时渲染的。实验表明，用本文中提出的算法可对小规模水面交互场景进行实时高效仿真，效果逼真且具有很高的实时性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3水面交互场景存在的问题

1.4 研究内容与预期研究目标

1.5 本文结构

第2章 实时真实感水面场景的建立

2.1 水面模拟

2.2不同复杂形态物体的构建及体素化

2.3 本章小结

第3章 水面与物体双向耦合模拟算法研究

3.1水面对物体的耦合作用

3.2物体对水面的耦合

3.3 本章小结

第4章 实时真实感水面场景的绘制

4.1水面场景背景的绘制

4.2水面基本光学特性

4.3水面综合光学效果

4.4 本章小结

第5章 水面交互实时仿真系统设计与实现

5.1 实验平台的搭建

5.2水面交互实时仿真系统设计

5.3水面交互实时仿真系统实现

5.4 实验效果展示与对比分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢