[发明专利]基于流计算的大范围动态海浪实时渲染方法

说明书

技术领域

本发明与计算机图形学有关，随着GPU技术的快速进步，使得GPU的性能和可编程能力得到大幅度提升，为图形学的发展提供了重要的硬件平台，本发明涉及一种基于流计算平台GPU的大范围动态自然场景—海浪的实时渲染方法。 

背景技术

地球表面约70％的区域被海洋所覆盖，相比较其它自然景物的仿真，海浪场景的绘制在飞行仿真、水面舰船仿真应用中显得更为重要. 针对海浪渲染的研究，所用的方法归结起来可以分为两大类：基于物理模型的方法和基于构造的方法，基于物理模型的方法一般是从Navier-Stokes方程组着手，试图通过求解该方程组来实现对海浪的模拟；基于构造的方法通过构造网格或基于粒子的方式，对海浪进行模拟。基于物理模型的方法更适合于流体倾倒、喷泉等小范围、小规模的场景，或是用于电影、动画等不要求实时性的场合，由于Navier-Stokes方程组的求解极为复杂，即便现代GPU的计算性能已达到TFLOPS量级，仍然无法通过这类方法交互实时地实现大范围动态海浪的渲染. 在实时交互性应用中，在先方法 [1] （参见Fournier A, Reeves W T. A simple model of coean waves. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 1986, 20(4): 75-84; Peachey D R. Modeling waves and surf. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 1986, 20(4): 65-74）基于几何模型的方法是常用的构造方法，通过采用函数曲线等来模拟海浪的几何形状，该方法波形容易控制，速度较快，其不足之处在于波形过于规则，真实感差，已经难以满足目前对海浪模拟真实性的要求. 在先方法 [2] （参见Fréchot J. Realistic simulation of ocean surface using wave spectra. Proceedings of the First International Conference on Computer Graphics Theory and Applications, Setúbal: GRAPP, 2006: 76-83; Tessondorf J. Simulating ocean water. Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, Los Angeles: ACM SIGGRAPH, 2001, 1-18; 任鸿翔, 尹勇, 金一丞. 大规模海浪场景的真实感绘制. 计算机辅助设计与图形学学报, 2008, 20(12): 1617-1622）基于统计和谱的方法依据海洋统计和海洋观测的经验模型，采用多个正弦曲线或快速傅立叶变换合成符合海浪谱分布的海浪。这类方法在现代GPU上也很容易实现，从而为实现实时交互提供了可能。 

发明内容

现代流计算技术为基于GPU的海浪仿真提供了良好的平台和巨大的灵活性。本发明建立一种新的统计和谱的方法，利用GPU实现大范围复杂场景下动态海浪的实时渲染，解决大范围动态海浪实时渲染方法的难题. 

    本发明的大范围动态海浪实时渲染方法首先利用一种新的基于 技术的网格模型来模拟海平面，在高等级上采用基于GPU的Gerstner模型直接计算海浪的高度并计算其法向量，在低等级的上计算海浪的凹凸纹理图；最后模拟海面的光照及一些特殊效果，包括细碎海浪的模拟、海面对天空与太阳的反射效果、泡沫以及云层在海面上的阴影等.

    本发明的基本原理

    一、一种新的基于LOD同心圆网格模型，该模型借鉴射线同心圆网格模型和动态、静态网格模型，在视点附近，采用两级细分圆形网格构成两级LOD，网格中顶点的间距由模拟的海况确定，两级LOD以外的网格部分，采用同心圆网格, 各同心圆半径和第i个同心圆上第j个网格顶点的坐标的计算公式由公式（1）和（2）计算

             (1)

   (2)

式中，为第i个同心圆的半径，为海平面的可见距离.

    二、一种逐顶点计算与凹凸纹理贴图相结合的方法模拟海浪，在细分圆形网格上采用逐顶点计算，在同心圆网格上采用凹凸纹理贴图法. 设时刻平面上一点，海浪的运动方程，三维空间中坐标及其副法线、切线和法线分别由公式（3）~（7）计算

         (3)

                (4)