虚拟海底场景多要素实时绘制算法研究

发布时间：2020-10-16 08:55

　　 随着虚拟现实技术的快速发展,使得人们在大规模的实时虚拟海洋环境下漫游成为可能。虚拟海洋场景的实时绘制在计算机图形学研究中既是热点又是难点。它在海洋勘测、灾害救援、主机游戏、影视特效等方面起着重要的作用。随着人类对海下资源的开发和利用,海下自然场景的仿真具有了重要的实际意义。为实现更为逼真的海底场景的实时绘制研究,本文主要在以下几个方面进行算法研究,分别是真实感海洋建模、海下光学效果、虚拟海底场景漫游及交互。首先,在真实感海洋场景搭建过程中,采用基于LOD技术的投影网格进行建模,解决海洋表面和岛屿地形范围广的问题,采用基于统一的海洋学统计模型的长短波谱结合快速逆傅里叶变换实现实时的大规模海面起伏效果;采用Shuriken粒子系统方法解决多种形态海底气泡的实时模拟问题。其次,在海下光学效果的模拟过程中,提出一种改进的光线追踪算法结合透光比计算解决了海下体积光的绘制问题。针对阴影和焦散效果的绘制问题,采用阴影映射和纹理映射技术绘制实时阴影和焦散效果。为了加快光照算法的计算,选用线性八叉树加快光线与节点碰撞检测速度,从而使得光照模型可以实时计算。然后,在虚拟海底场景漫游及交互研究中,本文创新性的采用虚拟现实技术和计算机仿真相结合,实现虚拟海底场景漫游及交互。在虚拟海底漫游研究中,采用虚拟定位技术结合Steam Plugin组件实现真实感海底漫游效果。利用碰撞检测算法结合控制手柄上的可编程按钮通过编程实现虚拟海底交互。在鱼群运动的研究中采用在鱼群空间内设置随机目标点实现鱼群的随机游动,为鱼群中的鱼添加刚体组件,解决鱼类之间的碰撞产生的材质穿透问题。利用在顶点片元着色器中计算植物的偏移位置,实现海底植物的运动问题。最后,通过Unity3D游戏开发平台结合UnityShaderLab着色器语言设计并实现多要素海底场景虚拟漫游与交互系统,实验中所有效果均为实时渲染。实验结果表明,本文方法能够实时高效的模拟多要素虚拟海底场景,真实感强且具有很高的实时性。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.9;P229
【部分图文】：

对气泡进行受力分析，如图2-4 所示。图 2-4 海底气泡受力分析图bF 为气泡的浮力，gF 气泡的重力，dF 为水的阻力，pF 为水流运动对气泡的压力(这个压力可以是任意方向)，我们假设这个压力为 0。气泡的i1t 时刻的速度可计算如式(2-10)，(2-11)，(2-11)所示。a bFg d F F F(2-10)a bF m a(2-11)

物体的表面像素点渲染到屏幕之上，如图 3-2 所示。本文则是采用求解亮度值积分的方法渲染射线经过的路径上的每个点。图3-2 光线追踪原理图3.1.1 亮度值积分求解海水内部每个采样点的亮度值。从视点开始，对每个从射线经过的采样点上的亮度值进行求和计算，从而获得像素的颜色。由于光的特性是传播按距离增加而衰减，光的亮度和离光源的距离成平方反比。因此可以得到一个基本的衰减公式如式(3-1)所示。2Iid (3-1)

采样点处的亮度值，通过对所有采样点的亮度值进行求和获得所有采样点的亮度值。如图 3-3 所示。图3-3 采样点亮度值求和S 为光源位置， C 为摄像机(视点)位置， O 为物体位置，1t 、2t 、3t 、4t 分别为四处采样点，此处设函数L (t )为采样点t 处亮度值，函数x (t )为视线的积分曲线。可得公式如式(3-2)所示。( ) *c dx t r t r(3-2)其中cr 为视线起点，dr 为视线方向，将函数 x (t )代入 L (t )中得到如式(3-3)所示。 2( )( )IL tx t s (3-3)其中S 为光源位置
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本文编号：2843044