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河流水面三维可视化研究

河流水面三维可视化研究

作者：刘晨龙郑州大学

学位级别：硕士

随着各领域数字化的发展，水利行业也已经开展了数字流域的研究。在数字流域的众多研究领域中，对于河流水面渲染的研究并不多。很多河流三维可视化系统，为了图方便和提高显示效率，往往仅使用一个平面并贴上朝一个方向流动的水波纹理... 详细信息

随着各领域数字化的发展，水利行业也已经开展了数字流域的研究。在数字流域的众多研究领域中，对于河流水面渲染的研究并不多。很多河流三维可视化系统，为了图方便和提高显示效率，往往仅使用一个平面并贴上朝一个方向流动的水波纹理作为水面，普遍存在水面效果不够逼真，不能顺着河道方向流动的现象。影响河流水面渲染逼真度的主要因素有两个：一是水面渲染需要占用大量的计算资源和显示资源;二是通过复杂边界生成河流水面网格模型需要繁琐的计算和过长的生成时间。对于上述问题，本文对水面的实时渲染、水面波浪模型、水面网格的快速生成以及水面网格数据的组织和优化等方面进行了深入研究。为了提高水面渲染效率，本文使用HLSL编写着色器程序对Direct3D中的可编程流水线进行控制。这样可以使用GPU代替CPU计算，实现合理的水面光照模型。本文结合基于Perlin噪声和基于海浪谱的方法生成波浪的高度图，在渲染时配合其法线图作为纹理实现波浪效果，将高度图的高度信息置换到水面网格上。河流边界的矢量数据可以通过GIS手段得到。读取河流边界坐标之后，对其重采样，得到所需要的边界点，然后插值获得网格内部顶点。水面网格中的各个顶点需要包含正确的纹理坐标，以使波浪纹理合理映射到水面网格上。根据贴体坐标系原理和纹理映射原理的相似性，本文使用一种简便的网格生成方法，不仅可以快速生成网格，同时便于后续的网格数据组织有很大帮助。河流一般是地域跨度很大的区域，其数据量也是非常庞大的。对于大量的数据进行组织和优化，最常用的方法就是层次细节处理配合区域分块处理。本文对比不同网格层次细节生成方法之后，选用Geomipmaping算法实时生成水面层次细节模型，同时利用链表结构存储水面网格块，减少视椎体裁剪时的判断数量，提高了计算效率，并利于管理。

关键词： 4河流波浪水面渲染复杂边界水面层次细节

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游戏引擎中实时广域流体渲染研究和应用

游戏引擎中实时广域流体渲染研究和应用

作者：吴磊电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着游戏和虚拟现实技术的不断发展,对于实时渲染的真实感、场景的复杂度不断提出更高的要求。与此同时,计算机的图形硬件处理能力也有了巨大的发展,尤其是支持可编程渲染管线GPU的推出使得PC机的图形处理能力获得了质的飞跃。... 详细信息

近年来,随着游戏和虚拟现实技术的不断发展,对于实时渲染的真实感、场景的复杂度不断提出更高的要求。与此同时,计算机的图形硬件处理能力也有了巨大的发展,尤其是支持可编程渲染管线GPU的推出使得PC机的图形处理能力获得了质的飞跃。这使得用户对于渲染的真实感和实时性的要求不断提高。而对覆盖有流体的地形表面进行有效地处理能够大大地提高视觉真实感。水面模拟就是其中一个重要部分。但是,目前已有的水面渲染算法普遍存在计算量庞大,耗时久,实时性不强等缺点。本文首先系统地分析和总结了现在的一些水面渲染技术。在此基础上,结合最新图形加速硬件特征,以渲染效果和渲染效率达到良好平衡为目的,对目前典型的水面模拟算法进行合理优化。该优化以两个主线进行:一是通过多张高度场纹理图混合简化实时水面网格模型的计算量,以及利用GPU强大的并行计算能力求解波动方程。二是针对网格顶点光照计算优化,基本策略是将以前放置在CPU上完成的复杂计算通过GPU的相关硬件特性进行替换,如环境纹理映射等,较为真实地模拟了水面上发生的折射和反射等光学现象。该算法最终有效地运用到游戏引擎的实时渲染系统中,实验证明该算法可行。另一方面,对水面漂浮物体与水面的交互运动模拟也是目前研究的一个热点和难点。漂浮物体在水面浮力作用下其运动状态变化比较复杂。目前有两种计算方式,一种是将浮力计算指定在刚体外表面的一些特殊点上,并假设小区域表面面积归结到这些点上;另一种是在刚体中填入一些规则几何体,然后分别计算它们的浮力。这两种方法都存在一个问题,就是对外形复杂的刚体很难模拟准确,同时还需要大量额外计算,不适合实时系统。在本文中,提出利用几何分解法对浮力计算进行简化的思路,大大提高了算法的效率,并在实验中获得了良好的效果。最后,本文对实验中存在的不足进行了分析,并提出了需要继续完善的几个方面。同时,对广域流体实时渲染的发展进行了展望。

关键词：实时渲染广域流体水面渲染浮力波动方程

3D引擎中大规模海面实时渲染及场景管理研究与实现

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3D引擎中大规模海面实时渲染及场景管理研究与实现

作者：程勇新电子科技大学

学位级别：硕士

随着计算机软硬件技术的不断发展,三维图形引擎技术逐渐成为计算机图形学的主要研究内容之一。它在虚拟现实、数字城市、影视广告、计算机辅助设计和科学计算可视化等各个方面都发挥着巨大的作用。用计算机模拟自然界的各种自然现象是... 详细信息

随着计算机软硬件技术的不断发展,三维图形引擎技术逐渐成为计算机图形学的主要研究内容之一。它在虚拟现实、数字城市、影视广告、计算机辅助设计和科学计算可视化等各个方面都发挥着巨大的作用。用计算机模拟自然界的各种自然现象是三维图形引擎中的关键技术。自然景物有着形态复杂,随机变化等特点,难以用确定的数学模型来表达和研究。与模拟火焰、云、山脉和雨水等自然现象相比,海面以其复杂的运动规则和光学特性使得对海面的模拟更加具有挑战性。对此,本文从国内外的研究现状出发,对海面的几何建模和光学建模进行深入研究,并在海面网格生成技术和大规模海面的场景管理上进行改进。从而给出大规模海面实时渲染的步骤和大规模海面场景管理的优化算法。在海面的几何建模方面,以现有的投影网格LOD算法为出发点,构造出限制采样精度的投影网格,此方法改进了旧的投影网格算法在视点离水面较近时采样频率陡增,采样点过密而导致水面网格不平滑的现象,能很好地与快速傅立叶变换(FFT)算法生成的水面相结合。同时该算法也在一定程度下减少了投影网格的三角形面片数,提高了渲染效率。在海面高度场的生成方面,本文对各种文献资料进行深入分析研究之后,运用海洋统计学公式模拟出复杂的海面起伏的效果。并且这种统计海波算法可以表示为FFT的形式。因此,采用这种算法,可以快速的将各种不同频率的波混合叠加在一起,产生具有更加复杂行为的波,这样就可以模拟出非常逼真的海面效果。在光学建模方面,本文改进了HDR算法和基于纹理动画的Normal Mapping算法,并提出了将多种光学效果融合的计算公式,提高了海面的光效真实感。在大规模海面场景的管理方面,通过对渲染流程的改进,实现了对海面场景管理的特殊性要求。可以对海面、海底场景进行正确的裁减,减少不必要的渲染,提高渲染速度。此外,通过在原创的三维图形引擎中将上述算法实现,得到了相应的实验结果。应用证明上述算法很好地满足了虚拟海面的实时漫游的需要。最后,对海面实时渲染的算法进行小结,并提出了改进建议以及进一步的展望。

关键词：水面渲染投影网格虚拟现实 FFT 三维图形引擎

大尺度液体的交互式模拟与真实感绘制研究与实现

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大尺度液体的交互式模拟与真实感绘制研究与实现

作者：刘垚电子科技大学

学位级别：硕士

随着计算机图形技术的不断发展,人们已经能够使用计算机实现“照片级”真实的虚拟环境。为了进一步提升虚拟环境的沉浸感,环境的可交互性成为现阶段的研究热点。随着物理模拟的大量引入,环境的可交互性得到了质的提升。然而物理计算的... 详细信息

随着计算机图形技术的不断发展,人们已经能够使用计算机实现“照片级”真实的虚拟环境。为了进一步提升虚拟环境的沉浸感,环境的可交互性成为现阶段的研究热点。随着物理模拟的大量引入,环境的可交互性得到了质的提升。然而物理计算的巨大运算量和虚拟环境的实时性要求又成了一对难以调和的矛盾,再加上大规模场景的广泛存在又加剧了这一矛盾。在流体模拟中,这种矛盾显得尤为突出。本文的目的是模拟范围极大的流体,例如湖泊、海洋等自然景观,并在真实感与效率之间找到一个平衡点,以满足游戏等实时的虚拟环境的需求。大尺度流体模拟是当前图形学的重要研究领域。本文展示流体模拟的几种主要模型,包括几何模型、物理模型、统计模型、柏林噪声等。讨论并实现了波浪模拟、大尺度的实现、双向流固耦合以及光照渲染。本文对这一课题的研究主要在以下三个方面:第一,流体表面自由波浪的模拟。使用柏林噪声来控制高度域上各点的位置,该方法连续变化的特点可以构造出平滑的波浪。最终实验证明该方法计算量较小,能满足实时条件,波浪非常接近风浪较小时的海面。第二,无限尺度与流固双向耦合的实现。使用投影的思想使波浪存在的矩形范围扩大到观察者的视野范围,并伴随观察者运动,从而营造出无边无际的假象。通过求解二维波方程来模拟流体的碰撞反映,并使用滑动叠加的方法来与投影状态下的自由波浪叠加;固体方面则采用把体积离散有限个顶点的方法来计算固体漂浮运动效果。实验中,通过把任意形状固体的体积离散到它的包围盒的顶点,大大简化了计算,同时也保证了良好的效果。第三,真实感绘制。使用GPU实现了水面的反射现象。水面的反射可以分为对环境的反射和对光源的反射。基于Phong光照模型的光源反射则能很好的表现阳光照射下的波光粼粼的效果。实验中为了满足各种软硬件环境的通用性采用了CPU来模拟流体运动以及流固耦合。为了保证效率不增加CPU的负担,使用GPU来处理渲染,试验结果显示渲染效果真实感强,并有效的降低了CPU占用率,提高了效率。最后,本文对实验中出现的问题和不足进行了分析,并提出了改进和完善的方向。

关键词：海洋柏林噪声双向流固耦合投影水面渲染