實時可交互自然水面的模擬研究.pdf

1、從1964年圖形學誕生以來，虛擬現實研究一直是計算機圖形學研究的一個重要分支。虛擬現實技術已經在各個領域得到了廣泛的應用，尤其是在數字娛樂產業(yè)如影視工業(yè)，游戲工業(yè)，虛擬訓練中有著非凡的意義。 自然水面模擬的研究一直以來都是虛擬現實研究的熱門話題，不僅因為它本身的復雜性，更因為真實的自然水面運動和光學效果能大大增強虛擬場景的真實感。自然水面的動態(tài)形狀模擬存在兩大流派: 一種以流體動力學為基礎，對流體動力學方程進行簡化，建立

2、水面的運動方程；一種則主要基于經驗主義，從日常對水面的觀察，和大量的實驗出發(fā)，提出水面的幾何模型和變化方式。但是兩種方法都有著各自的缺點。完全基于物理的模擬速度慢，而基于經驗主義的模擬則只能專注一種現象，并且不能和用戶進行交互。 在閱讀大量前人工作和大量的實驗以及對水面運動的直接觀察基礎上，本文提出了一種可交互實時水面運動模型。這個模型一半基于流體動力學，一半基于經驗數據。它通過簡化應用于二維平面上的流體力學方程形成水面的迭代，

3、根據經驗數據列出方程來改變水面的運動迭代條件。這使得它運算上足夠簡單，可以達到至少每秒30 幀的實時效果。而模擬上又因為引入了物理的運動方程，不是完全的經驗主義，從而足夠復雜能夠通過一個統(tǒng)一的模型來捕獲很多不同的水面效果，并且可以動態(tài)和用戶進行交互，以增強用戶的沉浸感。最后本文選取了一種適合該水面模型的渲染算法，并對其進行了描述。 本文的主要工作和成果有： 1．分析了目前常用的水模擬模型和算法，對它們進行了歸類，給出了它

4、們的核心算法，比較了各自的優(yōu)點和缺點。 2．對流體動力學公式Navier-Stokes 方程進行了深入的研究。在結合眾多簡化方法和解法的基礎上，提出了一個新的化簡和求解方法，建立了承載水面迭代的幾何模型，得到了水面的迭代公式。這個模型在算法上非常簡單，時間復雜度上趨于線性。 3．應用了提出的模型，利用經驗數據模擬了水花，物體落入水中的波紋擴散，風吹水面形成的波浪，微風拂動的隨機水面，下雨引發(fā)的水面波紋，物體在水面上滑行引