自然景物流体VR场景模拟技术研究

发布时间：2020-11-19 15:51

　　自然景物模拟一直是计算机图形学场景建模的重要研究内容之一,在虚拟现实、游戏动画、影视广告中均有广泛的应用,其中自然景物流体模拟更是近来的研究重点。在以往的研究中更多的将流体场景作为大概念的物体类型而忽略其不同的性状,导致各类流体场景效果同一化,降低了整个自然场景模拟的真实性。针对以上现象,本文主要研究工作及研究成果如下:首先,本文对虚拟场景中各种自然景物的算法进行了广泛的研究,在此基础上观察分析自然流体和周边景物对象的状态、颜色、温度、起伏、流速等物理特征和相互影响,据此研究模拟仿真的基本技术和方法以及设计虚拟场景的结构和模块。其次,使用脚本语言和OpenGL图形库完成对流体景物的模拟,使用Maya建模工具创建仿真模型,对其他自然景物进行建模仿真。最后,运用Unity3D引擎处理和渲染复杂的三维模型,使用光照、渲染、材质、刚体引擎、场景漫游等技术整合出一个完整场景,包括虚拟自然环境的地形、植被、河流、海洋等对象的三维模型。实现虚拟自然场景的建立和优化,将流体景物与自然景物结合。
【学位单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP391.41;TP391.9
【部分图文】：

纹理图,贴图,纹理,示例

时便需要带有alpha通道的图像来进行修复，反而增大工作量。UV坐标则是用U,V来定义坐标轴。水平方向是U，垂直方向是V，取值在（0，1）之间，否则会出现纹理重复现象。即水平方向的第U个像素即图片宽度，垂直方向的第V个像素即图片高度[22]，以立方体为例，左下角顶点为（0,0），右上角顶点为（1,1），其中间点坐标由比例缩放可得所有的图像文件都在二维平面上。由此可以定义任意该二维平面上的像素。用UV纹理贴图的方法可以将图像上每个点精确对应到需要贴图的模型表面。并在像素点之间的空隙位置进行图像光滑插值处理。下图2-1是水面纹理贴图的示例：图2-1水面纹理贴图示例通过代码可以对纹理贴图进行控制，其中三角网格的编号、顶点设置都是自定义可修改的。运用脚本还可以通过修改UV来实现只渲染某个面，或者实时变换各个面的贴图等。由于河流的研究重点在于其流动形态和水体与岸边岩石激起的水花，对水面效果要求不高，故本文在河流的水面绘制时也采用了uv纹理贴图的方法。2.1.2正弦函数与Gerstner波水面运动模拟要得到的一般是两组数据:水面网格的几何波动和法线方向。在模拟绘制如水波浪潮这样高度值频繁变化的情况时，一般将水面视为由大量三角形面片组成的规则网格，计算每个网格点的高度值，包括当前时刻高度、前一时刻高度和下一时刻高度。通过当前时刻高度得到法线图。用当前时刻高度对水面网格绘制位移图，用法线图计算光照，交换高度图[23]。当这一帧的渲染结束时，当前时刻的高度变成前一时刻的高度，下一时刻的高度变成了当前时刻的高度。从而产生一张高低起伏的面，网格的抖动造成高度变化形成波纹。这种方法可以达成很精准的模拟，并且随着三角形数量增多，对于水面建模的规律有着很好的把握。

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第二章场景模拟相关技术概述7在一开始，在研究水面模拟时一般采用简单的正弦波求和来表现，可以选择如下公式（2-1）的变换：2（sin12）（2-1）如图2-2正弦波图像所示，使用正弦波模拟能够得到一个平滑的叠加波形,非常适合于模拟平静的水面,比如湖面和池塘等。但是在自然界大部分水面，波峰更加尖锐,波谷更宽阔而平滑。图2-2正弦波图像在使用正弦函数绘制海面数据时可以通过提高x的细分程度来提升对细节部分的绘制效果，同时会在波谷处产生大量的多余计算[24]。这样可以使在波峰处的网格点较密集，在波谷处的网格点较稀疏。为了解决这些问题，可以采用Gerstner波的算法。如图2-3所示，Gerstner波模型描述的是拥有无限深度且不可压缩的流体表面的波形，最初在物理中用于水波的模拟，已有几百年历史。由于它的形状更接近真实水面形态，并且计算量不大，因而被广泛用于计算机图形学中水波的模拟。图2-3Gerstner波图像其参数方程为：（）（）（2-2）（）（）（2-3）其中p是自变量，参数Q、D、A用来控制形状。Q控制波峰的尖锐度，如果Q为0，则Gerstner波与正弦波无异，如果Q值过大以则波峰顶部会生成环路。故此时可以选择将Q值设置为(0,1)之间的一个变量参数，由此可以生成从平滑的波到陡峭的波，效果更为逼真。D控制波长，是波峰到波峰的距离；A为振幅，是水平面到波峰的高度，决定波形高度；振幅和波长之比较大的波决定波形表面方向。观察公式（2-2）中（）的表达式可以看出，与正弦波相比，Gerstner波在波峰处的

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