3D海浪动画模拟技术研究

论文摘要

近年来,由于游戏、动漫、影视、广告、建筑、视景仿真、科学计算可视化等各个领域对3D动画的应用,使得计算机图形学和虚拟现实技术得到了很大的发展。在计算机图形学领域中,自然景物的模拟一直是具有挑战性的研究热点之一,因为自然景物形态各异,运动不规则,并且具有一定的生命周期,难以用几何模型进行描述。水作为一种自然景物,以其流动性、透明性以及复杂的光学特性使其成为模拟中的难点。海浪模拟作为水流体模拟的一个分支,常常作为动画的背景,在许多三维游戏、模拟训练及影视特效等应用中,逼真的、大范围的海面场景模拟成为不可或缺的重要内容。海面模拟涉及的范围十分广阔,而且海面波动规律十分复杂,海面波动受到各种力的作用与影响。同时,海面作为动画场景的背景,对其真实感和实时性也有较高的要求。因此,建立合适的海浪运动模型,实现海浪模拟是很有意义的。本文从这一目的出发,利用海洋学的经验公式,采用海浪谱方法建立了海浪的数学模型,并使用LOD技术简化海面网格的计算量,通过光照和纹理映射的渲染,实现了深海区域的3D海浪模拟,并在实时性和渲染方面都取得了令人满意的效果。具体研究工作如下:通过对国内外海浪模拟技术研究现状的分析,结合图形实时绘制技术,给出了海浪模拟的基本步骤。在分析海面网格的细化的方法及裂缝和边缘缝合技术的基础上,构造LOD网格以减少网格计算量。在深入分析了主流的海浪模型的构造方法和适用范围之后,从海洋学的观测结果入手,利用海浪P-M频谱及SWOP方向函数计算得到的不同频率、方向角、振幅的组成波,线性叠加生成海面高度场,从而建立海浪动画的每一帧。在利用海浪谱方法生成海面高度场的过程中,通过三角函数计算简化,降低计算代价提高帧率。并通过对海面赋予一定的光照和材质参数、计算反射纹理坐标以及背景贴图渲染海浪,实现深海海域海浪的3D动画。此外,通过实验数据比较,证明了采用LOD网格以及海浪谱方法模拟的广阔深海海域的海浪动画能实现动画的现实性要求,且渲染效果比较理想。最后,对基于海浪谱方法和LOD技术模拟3D海浪的研究工作做了总结和进一步的展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 实时3D动画
• 1.2.1 实时绘制技术与图形管线
• 1.2.2 3D动画制作步骤
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.5 本文的组织
• 第2章 海面网格
• 2.1 网格曲面
• 2.2 LOD网格
• 2.3 投影网格
• 2.4 本章小结
• 第3章 海浪建模
• 3.1 海浪模型
• 3.1.1 N-S方程
• 3.1.2 Perlin噪声合成
• 3.1.3 Gerstner模型
• 3.2 高度场
• 3.3 频率谱
• 3.4 方向谱
• 3.5 本章小结
• 第4章 海浪模拟
• 4.1 海面网格的建立
• 4.1.1 LOD网格的建立
• 4.1.2 网格的缝合
• 4.2 高度场的建立
• 4.2.1 高度场的计算
• 4.2.2 计算简化
• 4.3 渲染
• 4.3.1 光照
• 4.3.2 纹理映射
• 4.4 实验及结论
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录：攻读硕士学位期间发表的论文