基于GPU的水下环境的实时模拟

摘要

本文是苏州某管理部门开发的“虚拟太湖流域”项目中的一个子课题，主要内容是在PC(Personal Computer)平台上模拟出视角在湖面下观察到的水下视觉效果。
　　 水下场景以其复杂性和奇妙的视觉效果吸引了越来越多的关注，但大部分的论文研究仅限于某个部分例如水面、光学效果等等。限于时间，本文选取了关键性的4个部分：水底地形、水底光斑、水草、水面，在充分考虑了效果和效率的基础之上，分别对这些部分采用了特定的方法实现，整合成一个水下场景。
　　 对于水底地面的模拟，提出了快速视差遮挡映射方法，相对于传统的网格建模方法，实现了后者难以实现的微小细节和复杂视觉效果，同时，相对于其他的视差遮挡算法，在效率上有一定的提高。水面建模采用了Gerstner波函数，并运用环境贴图和normal map对水面进行渲染，在保证了不提高网格建模的复杂性的基础上，增加水面视觉效果的复杂性。水底地面的光斑采用逆向光线跟踪和舍弃无贡献光线方法渲染，并且在运用Snell定律时，通过求解Gerstner波函数偏导数得到法线，使光斑随着水面的波动而舞动。水草建模采用了B样条曲线插值生成水草叶片的中线，叶片上其他顶点依附中线旋转生成，将叶片进行比例变换和旋转变换后生成整棵水草。运用Perlin噪声对水草进行动态效果处理，将Perlin噪声只作用于水草叶面中线的型值点，通过控制中线的形状来实时改变叶片的形状，降低了噪声的计算量，提高了帧速。最后对水下光线进行指数衰减处理。
　　 现代GPU发展迅速，水下场景的渲染充分利用了GPU的加速功能，大大减轻了CPU的计算量。实现了水下环境的实时模拟，取得了较好的模拟效果和流畅的帧速，满足了课题的需求。