基于后处理特效的水渲染

摘要

在计算机真实感图形绘制中,水的模拟一般分为两个部分内容,动态建模和光影渲染。动态建模主要考虑水作为一种流体,没有固定几何形状,其建模是以一种物理模型的方式,往往还要考虑其周边环境对其的形状影响,例如河流、大海等不同环境的水的物理模型建立,通过物理模型动态求解其几何形状变化。在模型计算中,外界动态扰动以及自身波动的计算是其重要内容;而光影渲染侧重在于对水对光反射与折射的效果,这主要是由于水是透明的,对周围环境还有一个镜面效果。
　　 目前对于水的波动,特别是海浪的模拟已经有了比较成熟的模型和算法了,为了保证人们看到连续平滑的水波,则必须保证每秒钟至少应渲染20帧以上。常规的模拟算法要对水进行精确的模拟计算,其浮点计算量比较大,往往消耗了大量CPU资源。因此目前针对海浪的模拟还只能是在一个独立的演示程序中进行,很难应用到游戏引擎中。
　　 本文考虑把水波模拟过程中特别是光阴模拟部分,采用并行计算的方法,在GPU中进行,以便于充分利用GPU的计算能力,减轻CPU的负担。本文在水的渲染方面,基于后处理特效对光照模型、水折射和反射现象分别进行了研究与实现,大大增强了水模拟的真实性。
　　 本文首先系统分析了目前现有的水模拟相关模型和关键技术,并给出这些水模拟算法的实现过程以及特点。然后给出波浪运动背景理论知识,介绍了其中一些参数的计算方法,以及波浪谱,并对实时渲染技术和GPU编程技术进行了一定介绍。接下来介绍了本课题依托的FPE3D游戏引擎架构情况,并指出了本课题在引擎中所出位置,给出了本课题在PPE3D游戏引擎中的模块实现。在水的动态模型模拟方面,本文实现采用FFT方法,文中给出了其具体的实现内容。在此基础上,结合GPU所支持的实时真实感绘制方法,提出了水面基本光照模型,和光照建模与渲染的具体实现。最后介绍了本课题在PPE3D编辑器中的具体实现,对实验结果进行了分析,证明本课题实现的基于后处理特效的模拟的水是高效的,能够运动到实际游戏引擎以及游戏编辑器中。
　　 本文主要的研究工作主要在水波建模和渲染两个方面。在水波建模方面,本文除了用FFT算法来实现水波建模,还给出了深水波、浅水波、表面波在FFT算法基础上的实现。在水波渲染方面,本文采用的是基于后处理特效的方法在来实现光照渲染。为了提高渲染效率,本文光照的渲染处理都是在GPU上来完成,这样就大大减轻了CPU的负担,提高了效率。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究的意义及应用领域

1.3 国内外研究现状

1.4 主要工作与创新

1.5 论文结构

第二章 相关理论研究

2.1 波浪建模相关概念和术语

2.2 波浪运动参数计算

2.3 波浪谱

2.3.1 波浪谱概述

2.3.2 常用的波浪谱

2.4 实时渲染技术

2.5 GPU编程技术

2.5.1 可编程渲染管线

2.5.2 着色器模型

2.5.3 顶点着色器

2.5.4 像素着色器

第三章 PPE3D引擎系统结构

3.1 PPE3D引擎设计思想

3.1.1 自定义属性的游戏对象

3.1.2 MVC模式

3.2 PPE3D引擎设计框架及实现

3.2.1 基础系统

3.2.2 图形系统

3.2.3 其他系统

3.3 本课题在引擎中的模块实现

第四章 基于FFT水波建模

4.1 快速傅立叶变换

4.1.1 各类算法

4.1.2 复杂度

4.2 水波建模算法实现

4.2.1 算法流程图

4.2.1 算法实现过程

4.2.1 算法实现伪代码

4.3 各类水波建模实现

4.3.1 深水波

4.3.2 浅水波

4.3.2 表面波

4.4 实验结果与分析

第五章 基于GPU后处理特效水面光照实现

5.1 水面基本光照模型

5.1.1 环境光

5.1.2 漫反射

5.1.3 镜面反射

5.1.4 放射光

5.1.5 对水面基本光照模型的总结

5.2 光照模型建立

5.2.1 光照模型建立流程图

5.2.2 法向量

5.2.3 光的反射和折射

5.2.4 镜面反射

5.3 光照渲染

5.4 实验结果与分析

第六章 基于后处理特效水在PPE3D编辑器中实现

6.1 PPE3D编辑器

6.1.1 主要界面

6.1.2 主工作面板

6.1.3 摄像机控制

6.1.4 场景组织面板

6.1.5 属性面板

6.2 本课题在编辑器中的实现

6.3 实验结果与分析

第七章 总结与展望

7.1 课题研究总结

7.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果