小规模水面场景多种交互式真实感三维水波实时模拟

发布时间：2017-03-23 17:10

  本文关键词：小规模水面场景多种交互式真实感三维水波实时模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为水面仿真的一个重要方面,水波模拟一直是计算机图形学和虚拟现实技术领域的研究热点,在影视广告、游戏动画和教育科研等众多领域具有广泛应用。目前的水波场景仿真中,大多只针对一种或几种特定波形进行模拟,种类局限性较大。在此提出一种真实感三维水波实时模拟方法,实现对多种常见水波的交互式模拟。首先,进行水面建模工作。为了在不影响真实性的情况下更好地满足实时性要求,采用一种经简化只包含结构弹簧的质点弹簧模型建立水面,均匀排列的水面质点由水平型和竖直型弹簧相连形成水面的网状结构。其次,进行真实感三维水波的实时模拟。为了解决波场景模拟中波形种类局限的问题,对波形产生的物理原理进行深入分析,引入粒子系统,结合动量守恒定律,并通过物理学公式以及碰撞检测算法实现对风波、雨点波、心形波、棍棒形状波、沙漏形状波、高脚杯形状波、人脸形状波、三角形波、矩形波、圆形波、环形波、带状波、十字交叉波和船行波等的交互式实时模拟。此外,通过边界检测算法进行水面边界处理,再次利用粒子系统进行飘落柳絮的模拟,大大增强场景的丰富性与真实感。再次,进行真实感三维水波场景的实时绘制。为进一步增强场景的沉浸感与真实感,采用立方体纹理贴图设计水波场景的天空盒背景,通过Cg着色语言编程计算入射光线经水波所得的反射颜色值、折射颜色值、基本光照颜色值以及彩色灯光颜色值,通过线性插值的方法进行混合得到水波的最终颜色值。最后,设计并实现真实感三维水波实时模拟系统,对算法最终模拟效果进行展示、分析和对比,以验证本文提出的模拟算法。
【关键词】：水波场景模拟 质点弹簧模型 粒子系统 动量守恒定律 光照模型
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题背景与意义10
• 1.2 课题相关的国内外研究现状10-14
• 1.2.1 水波模拟的研究现状11-12
• 1.2.2 水面模拟的研究现状12-13
• 1.2.3 光照模拟的研究现状13-14
• 1.3 波场景模拟存在的问题14-15
• 1.4 研究工作及预期研究目标15
• 1.5 本文结构15-16
• 第2章 真实感水面的建立16-24
• 2.1 水面建模方法的选择16-19
• 2.1.1 水面建模方法的比较16-17
• 2.1.2 质点弹簧模型的应用17-19
• 2.2 本文水面模型的建立19-23
• 2.2.1 静态水面模型的建立19-21
• 2.2.2 动态水面模型的建立21-23
• 2.3 水面粘稠度的调节23
• 2.4 本章小结23-24
• 第3章 真实感三维水波场景的模拟24-38
• 3.1 基于粒子系统的波生成24-32
• 3.1.1 粒子系统的建模应用24-26
• 3.1.2 风波的生成26-30
• 3.1.3 雨点波的生成30-32
• 3.2 基于动量守恒的波生成32-35
• 3.2.1 三维建模软件的使用32
• 3.2.2 三维模型的创建32-33
• 3.2.3 多种形状三维水波的生成33-35
• 3.3 鼠标控制的波生成35-36
• 3.4 波场景的细节处理36-37
• 3.4.1 柳絮的添加36
• 3.4.2 水面的边界检测36-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第4章 动态水波场景的实时绘制38-45
• 4.1 水波场景背景的绘制38-39
• 4.2 水面和水波的基本光学特性模拟39-40
• 4.2.1 反射效果的模拟39-40
• 4.2.2 折射效果的模拟40
• 4.3 彩色灯光效果的模拟40-42
• 4.3.1 聚光灯效果的取值40-41
• 4.3.2 聚光灯添加的重要问题41-42
• 4.4 三维水波场景综合光学效果的模拟42-44
• 4.5 本章小结44-45
• 第5章 实时水波场景系统的设计与实现45-68
• 5.1 实验平台的搭建45-47
• 5.1.1 OpenGL的应用45-46
• 5.1.2 Cg着色语言的应用46-47
• 5.1.3 开发环境的配置47
• 5.2 实时水波场景的系统设计47-51
• 5.2.1 总体架构设计47-49
• 5.2.2 系统的实现流程49-50
• 5.2.3 参数控制界面的设计50-51
• 5.3 实时水波场景的实现51-57
• 5.3.1 实时水波场景模型的定义51-55
• 5.3.2 动态水波交互场景的实现55-57
• 5.4 实验结果的展示与分析57-67
• 5.4.1 模型效果的展示58-60
• 5.4.2 真实感三维水波效果的展示60-66
• 5.4.3 彩色灯光效果的展示66
• 5.4.4 水波场景的真实性分析66-67
• 5.5 本章小结67-68
• 结论68-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果74-75
• 致谢75-76
• 作者简介76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 柳有权;刘学慧;朱红斌;吴恩华;;基于物理的流体模拟动画综述[J];计算机辅助设计与图形学学报;2005年12期

2 邹运兰;管幼幼;;基于粒子系统的水波模拟[J];计算机应用与软件;2011年03期

3 唐勇;杨PrPr;吕梦雅;张明敏;潘志庚;;自适应椭球包围盒改进织物碰撞检测方法[J];计算机辅助设计与图形学学报;2013年10期

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本文编号：264189