[發明專利]基于流計算的大范圍動態海浪實時渲染方法

無效

• 申請號: 201310171982.6
• 申請日: 2013-05-12
• 公開（公告）號: CN104143207A
• 公開（公告）日: 2014-11-12
• 發明（設計）人: 張澤旭;王綱
• 申請（專利權）人: 哈爾濱點石仿真科技有限公司
• 主分類號: G06T15/00
• 分類號: G06T15/00;G06T15/60
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明與計算機圖形學有關，隨著GPU技術的快速進步，使得GPU的性能和可編程能力得到大幅度提升，為圖形學的發展提供了重要的硬件平臺，本發明涉及一種基于流計算平臺GPU的大范圍動態自然場景—海浪的實時渲染方法。?

背景技術

地球表面約70％的區域被海洋所覆蓋，相比較其它自然景物的仿真，海浪場景的繪制在飛行仿真、水面艦船仿真應用中顯得更為重要.?針對海浪渲染的研究，所用的方法歸結起來可以分為兩大類：基于物理模型的方法和基于構造的方法，基于物理模型的方法一般是從Navier-Stokes方程組著手，試圖通過求解該方程組來實現對海浪的模擬；基于構造的方法通過構造網格或基于粒子的方式，對海浪進行模擬。基于物理模型的方法更適合于流體傾倒、噴泉等小范圍、小規模的場景，或是用于電影、動畫等不要求實時性的場合，由于Navier-Stokes方程組的求解極為復雜，即便現代GPU的計算性能已達到TFLOPS量級，仍然無法通過這類方法交互實時地實現大范圍動態海浪的渲染.?在實時交互性應用中，在先方法?[1]?（參見Fournier?A,?Reeves?W?T.?A?simple?model?of?coean?waves.?ACM?SIGGRAPH?Computer?Graphics,?1986,?20(4):?75-84;?Peachey?D?R.?Modeling?waves?and?surf.?ACM?SIGGRAPH?Computer?Graphics,?1986,?20(4):?65-74）基于幾何模型的方法是常用的構造方法，通過采用函數曲線等來模擬海浪的幾何形狀，該方法波形容易控制，速度較快，其不足之處在于波形過于規則，真實感差，已經難以滿足目前對海浪模擬真實性的要求.?在先方法?[2]?（參見Fréchot?J.?Realistic?simulation?of?ocean?surface?using?wave?spectra.?Proceedings?of?the?First?International?Conference?on?Computer?Graphics?Theory?and?Applications,?Setúbal:?GRAPP,?2006:?76-83;?Tessondorf?J.?Simulating?ocean?water.?Computer?Graphics?Proceedings,?Annual?Conference?Series,?Los?Angeles:?ACM?SIGGRAPH,?2001,?1-18;?任鴻翔,?尹勇,?金一丞.?大規模海浪場景的真實感繪制.?計算機輔助設計與圖形學學報,?2008,?20(12):?1617-1622）基于統計和譜的方法依據海洋統計和海洋觀測的經驗模型，采用多個正弦曲線或快速傅立葉變換合成符合海浪譜分布的海浪。這類方法在現代GPU上也很容易實現，從而為實現實時交互提供了可能。?

發明內容

現代流計算技術為基于GPU的海浪仿真提供了良好的平臺和巨大的靈活性。本發明建立一種新的統計和譜的方法，利用GPU實現大范圍復雜場景下動態海浪的實時渲染，解決大范圍動態海浪實時渲染方法的難題.?

????本發明的大范圍動態海浪實時渲染方法首先利用一種新的基于?技術的網格模型來模擬海平面，在高等級上采用基于GPU的Gerstner模型直接計算海浪的高度并計算其法向量，在低等級的上計算海浪的凹凸紋理圖；最后模擬海面的光照及一些特殊效果，包括細碎海浪的模擬、海面對天空與太陽的反射效果、泡沫以及云層在海面上的陰影等.

????本發明的基本原理

????一、一種新的基于LOD同心圓網格模型，該模型借鑒射線同心圓網格模型和動態、靜態網格模型，在視點附近，采用兩級細分圓形網格構成兩級LOD，網格中頂點的間距由模擬的海況確定，兩級LOD以外的網格部分，采用同心圓網格,?各同心圓半徑和第i個同心圓上第j個網格頂點的坐標的計算公式由公式（1）和（2）計算

?????????????(1)

???(2)

式中，為第i個同心圓的半徑，為海平面的可見距離.

????二、一種逐頂點計算與凹凸紋理貼圖相結合的方法模擬海浪，在細分圓形網格上采用逐頂點計算，在同心圓網格上采用凹凸紋理貼圖法.?設時刻平面上一點，海浪的運動方程，三維空間中坐標及其副法線、切線和法線分別由公式（3）~（7）計算

?????????(3)

????????????????(4)