随机风场驱动下的海面仿真技术研究

摘要

海洋是近年来各国竞相研究开采的领域，随着CPU、GPU等芯片的处理能力的快速提升，虚拟现实技术也越来越火热，将其运用于海洋领域也是各位研究学者争相研究的重点。由于海洋环境复杂多样，海洋模拟变得非常具有挑战性。海洋表面存在着大量的随机风，对随机风场下的海面进行仿真研究是一个非常具有挑战性的课题。本文主要研究随机风场下的海面仿真，重点是提升海面场景仿真的实时性与真实性。 首先，研究随机风场下的海浪的模拟方法。针对随机风场下的海浪模拟仿真研究不足，真实感不强的问题，借鉴粒子系统思想，提出一种改进的基于基波建模的海浪建模仿真方法。海洋表面被认为是许多不同大小的波块的组合，称为基本块。每个基波块中波浪是有许多组成波构成。基波块中的波浪吸取Gerstner模型的尖削效果，和Languet-Higgins模型占用资源少，计算方便的优点，对建模方法进行改进，加入控制海浪波形的控制因子，使基波表现为受随机风场的影响特性。之后构建海平面网格，进而根据本文方法并借助GPU进行顶点拾取和纹理映射叠加生成海面高度场。实现了随机风场下的海浪模拟仿真。 其次，对海面场景的光照效果进行渲染的方法进行研究。本文先对光照的特性加以介绍，之后引出几种常用的光照模型，针对海面对于光照的漫反射反射较强的特点，对Lambert漫反射模型进行改进，将光强在某一阈值之下的入射光强增强，并结合Blinn-Phong光照模型计算速度快的特点提出一种改进的光照模型，增加了光照的亮度值，使得对海面光照漫反射的渲染更加真实，增强了海面仿真的真实感。 最后，本文对LOD技术及裂缝的消除方法进行研究。在大范围海面仿真研究当中，CPU的计算资源是有限的，一般针对绘制效率问题通常会使用LOD技术。而利用LOD模型对场景进行绘制的时候会产生裂缝。本文先对常用的LOD模型进行说明。然后对基于LOD模型技术所产生的裂缝的成因和常用消除办法进行研究，针对目前方法对于不同层级的裂缝具有局限性，提出一种改进的裂缝消除方法。该方法不受网格层次的限制，并且可以在保持模型表面的连续性的同时平滑地消除裂缝。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．2研究意义和目的

1．3国内外研究现状

1．3．1海浪模拟研究现状

1．3．2光照渲染方法研究现状

1．3．3 LOD技术及裂缝消除技术研究现状

1．4本文的主要研究工作

1．5论文的组织结构

第2章带有随机风场特性的海浪建模技术研究

2．1随机风场影响下的海浪特点

2．1．1海浪的基本要素

2．1．2随机风场和风浪

2．2常用海浪建模方法

2．2．1海浪谱建模方法

2．2．2几何建模方法

2．3改进的基于基波模型的海浪建模方法

2．3．1基波模型建模

2．3．2构建海面网格

2．3．3高度场生成并渲染海面

2．4实验结果与分析

2．5本章小结

第3章海面光照渲染技术研究

3．1光照基础

3．1．1光的反射和折射

3．1．2菲涅尔效应

3．1．3双向反射分布函数

3．2光照模型介绍

3．2．1 Lambert模型

3．2．2 Phong光照模型

3．2．3 Blinn-Phong光照模型

3．3光照模型的改进

3．4实验结果与分析

3．5本章小结

第4章LOD网格模型及裂缝处理技术研究

4．1 LOD技术

4．1．1 LOD模型分类

4．1．2常用LOD算法

4．2 LOD网格裂缝处理

4．2．1网格裂缝的成因

4．2．2消除裂缝的常用方法

4．3改进的裂缝消除方法

4．4实验结果与分析

4．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢