海洋虚拟场景构造及动态光影渲染关键技术研究

摘要

伴随着“海洋强国”战略决策的提出以及虚拟现实技术的飞速发展,越来越多的海洋科学研究人员将先进的虚拟现实技术应用在海洋上,改变了人们观察和认识海洋的方式,因此海洋虚拟现实领域随之兴起并逐渐受到广泛关注。在该领域,科研工作者的主要工作之一就是最大限度的模拟真实的海洋环境,增强用户的感官感受。因此如何利用现有的海洋虚拟现实数据快速构造具有真实感、沉浸感、交互感的海洋虚拟场景,是海洋虚拟仿真研究的基础。为了能够最大限度的模拟海洋虚拟场景,必须要重点考虑提升场景真实感要素,而水体光学特效渲染就是非常重要的组成部分。在太阳照射下,整个海洋场景不同时刻会呈现不同的光影效果,随水面波动的海上光影以及海底光束等现象就是光线在海洋领域的最直观表现。而目前同时研究海上及海下光学效果的少之又少,所以本论文的研究成果具有很大的应用价值。
　　本文针对海洋虚拟现实领域亟需解决的这两个问题,在中国海洋大学自主研发的海洋虚拟现实与可视化平台(i4Ocean)基础上,首先设计出能够将海洋三维模型数据、海洋特效数据、海洋可视化数据预处理后,统一加载,并进行交互编辑,迅速构建场景的海洋虚拟场景构造器工具。同时提出适用于海陆的动态光影绘制方法,实现海上光影渲染,海下光束动态绘制,利用场景构造器实现光影效果的的实时交互。论文的主要工作及取得的研究成果如下:
　　1)海洋虚拟现实场景构造器(VR-Bulider)设计与实现
　　设计一个适用于海洋虚拟现实和可视化数据编辑的场景构造器工具。该工具提供统一的数据交互操作接口,支持 i4Ocean平台自定义数据格式和通用的 FBX模型数据格式,对数据进行预处理;依托 MVAE渲染引擎架构,支持海洋数据的仿射变换以及特殊属性编辑,快速搭建海洋虚拟现实环境。该工具便捷的实现了三维建模人员、软件开发人员以及用户的良好衔接,同时为 i4Ocean基础平台的场景编辑做出了贡献。
　　2)海上场景光影渲染技术研究与实现
　　在已搭建好的海洋虚拟场景基础上,提出一种基于 GPU的适用于海陆场景的动态光影渲染方法,并利用场景构造器实现光影的实时交互。主要基于 GPU采用可编程的绘制流水线,利用较成熟的光照模型原理、阴影算法,综合考虑水面动态变化规律,进而动态渲染海面光影效果;通过 VR-Builder及交互操作工具实现交互式光影设置,观察不同时刻、不同光源类型下的光影真实感绘制效果。该成果弥补了现有海洋虚拟现实领域光影技术结合不紧密的弊端。
　　3)海下光束渲染技术研究与实现
　　针对海洋流体的动态特征,研究海下最重要的光学现象之一,即海底光束。首先对海下光束进行建模,根据水面网格运动规律,渲染光束体;结合折射、散射、光强变化等物理模型,运用 GPU并行能力快速计算光强值,进行颜色融合,最终完成海下动态光束的绘制。
　　本文进行的海洋虚拟场景构造及动态光影渲染关键技术的研究,为自主研发的 i4Ocean平台提供了场景交互编辑工具,实现了海面场景的光影渲染以及海下光束绘制。研究成果为海洋工程建设、海洋资源开发濒海(湖)城市规划等行业提供可视化服务,同时支持虚拟海洋博物馆系统建设,在海洋文化宣传领域有着不可替代的应用价值。

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英文摘要

目录

1. 绪论

1.1 论文选题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的和意义

1.4 论文组织结构

2. 相关理论和技术

2.1 光学理论

2.2GPU 理论

2.3 i4Ocean 平台简介

3. 海洋虚拟场景构造工具设计与实现

3.1 总体设计

3.2 关键类设计

3.3 海洋场景数据预处理

3.4 海洋场景实体编辑

3.5 海洋虚拟场景构造结果展示

4. 基于 GPU 的海面场景光影动态渲染研究与实现

4.1 海面模拟原理简介

4.2 光影基础算法介绍

4.3 算法总体设计

4.4 深度图生成

4.5 光影特效渲染

4.6 交互动态光影渲染结果

5. 基于 GPU 的海底光束动态渲染研究与实现

5.1 海底光束物理模型及常用算法

5.2 算法设计流程

5.3 海底动态光束渲染实现

6. 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果