虚拟现实中动态喷泉及动态水面效果渲染

摘要

随着计算机性能的快速提高和虚拟现实技术的不断进步，在通用PC机上实现照片级真实感渲染已成为可能，这促使了虚拟现实技术应用领域不断扩展。水景观是地球上最常见的自然景观，因为水的形态千变万化，水效果模拟成为虚拟现实领域中的难点。由于水存在的广泛性，水模拟又是一般虚拟现实系统中不可避免的环节。喷泉的模拟多数学者采用动态纹理技术，这就使喷泉看起来不够灵动、真实。为了模拟出更真实、更灵动的喷泉效果，本文选择粒子系统技术模拟喷泉效果。近年来水波动技术研究取得巨大成果，然而算法在不断的发展中变得复杂这使渲染的时间变长。本文对现有水面波动算法进行改进，提高了水面渲染速度。
　　 深入的研究了粒子系统模拟喷泉的有关技术，重点研究了粒子发射器，线性力效果器，碰撞器，颜色修改器四个控制喷泉的程序单元，他们分别控制粒子的产生、粒子空中运动、粒子落入水面碰撞和粒子颜色。设计中决定喷泉真实感的因素主要为两个方面：喷泉粒子颜色以及喷泉外观形状，因此做了大量实验用来研究这两个效果的设计。最终采用颜色效果器控制喷泉颜色状态变化，设计出了接近真实世界喷泉的颜色效果。研究发现只有粒子发射器和线性力效果器对喷泉外观形状有所影响，所以在对这两个程序单元的参数进行修改对比找出直接影响喷泉形状的为：初始最大发射角度、初始发射速度和线性力竖直方向分量这三个参数。基于影响喷泉效果的研究最终模拟出了符合实时渲染要求的八种不同喷泉效果。得到的喷泉效果代码通用性高，移植性强。
　　 动态水面模拟中重点研究了海面波动模拟，光照效果模拟以及水刻蚀现象模拟三个方面。首先采用基于波形分析的方法，用Gerstner波实现了一个波涛汹涌的海面波动效果。为了满足真实世界中海洋波浪波峰尖、波谷宽的特点，研究了Gerstner波中险峻参数变化对波形的影响。光照模型使用改进的光照模型，它引入了一个距离衰减因子对基本光照模型的漫反射项和镜面反射项进行了修正，使光照效果更加真实。最后对传统的光线逆向跟踪算法做了两个简化：一个是用地球上任意一点对太阳的观测角度来检测光线是否来自于太阳光，另一个是按照距离最短消耗最少的原理只计算垂直光线。并且用这个改进的算法实现了一个满足要求的太阳光在水面形成的水刻蚀效果。