3D海浪動(dòng)畫模擬技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，由于游戲、動(dòng)漫、影視、廣告、建筑、視景仿真、科學(xué)計(jì)算可視化等各個(gè)領(lǐng)域?qū)?D動(dòng)畫的應(yīng)用，使得計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了很大的發(fā)展。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中，自然景物的模擬一直是具有挑戰(zhàn)性的研究熱點(diǎn)之一，因?yàn)樽匀痪拔镄螒B(tài)各異，運(yùn)動(dòng)不規(guī)則，并且具有一定的生命周期，難以用幾何模型進(jìn)行描述。水作為一種自然景物，以其流動(dòng)性、透明性以及復(fù)雜的光學(xué)特性使其成為模擬中的難點(diǎn)。海浪模擬作為水流體模擬的一個(gè)分支，常常作為動(dòng)畫的背景，在許多三維游戲、

2、模擬訓(xùn)練及影視特效等應(yīng)用中，逼真的、大范圍的海面場(chǎng)景模擬成為不可或缺的重要內(nèi)容。海面模擬涉及的范圍十分廣闊，而且海面波動(dòng)規(guī)律十分復(fù)雜，海面波動(dòng)受到各種力的作用與影響。同時(shí)，海面作為動(dòng)畫場(chǎng)景的背景，對(duì)其真實(shí)感和實(shí)時(shí)性也有較高的要求。因此，建立合適的海浪運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)海浪模擬是很有意義的。本文從這一目的出發(fā)，利用海洋學(xué)的經(jīng)驗(yàn)公式，采用海浪譜方法建立了海浪的數(shù)學(xué)模型，并使用LOD技術(shù)簡(jiǎn)化海面網(wǎng)格的計(jì)算量，通過(guò)光照和紋理映射的渲染，實(shí)現(xiàn)了深海區(qū)

3、域的3D海浪模擬，并在實(shí)時(shí)性和渲染方面都取得了令人滿意的效果。具體研究工作如下： ⑴通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外海浪模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀的分析，結(jié)合圖形實(shí)時(shí)繪制技術(shù)，給出了海浪模擬的基本步驟。 ⑵在分析海面網(wǎng)格的細(xì)化的方法及裂縫和邊緣縫合技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造LOD網(wǎng)格以減少網(wǎng)格計(jì)算量。 ⑶在深入分析了主流的海浪模型的構(gòu)造方法和適用范圍之后，從海洋學(xué)的觀測(cè)結(jié)果入手，利用海浪P-M頻譜及SWOP方向函數(shù)計(jì)算得到的不同頻率、方向角、振幅的組

4、成波，線性疊加生成海面高度場(chǎng)，從而建立海浪動(dòng)畫的每一幀。在利用海浪譜方法生成海面高度場(chǎng)的過(guò)程中，通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)化，降低計(jì)算代價(jià)提高幀率。并通過(guò)對(duì)海面賦予一定的光照和材質(zhì)參數(shù)、計(jì)算反射紋理坐標(biāo)以及背景貼圖渲染海浪，實(shí)現(xiàn)深海海域海浪的3D動(dòng)畫。 ⑷通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，證明了采用LOD網(wǎng)格以及海浪譜方法模擬的廣闊深海海域的海浪動(dòng)畫能實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的現(xiàn)實(shí)性要求，且渲染效果比較理想。 ⑸對(duì)基于海浪譜方法和LOD技術(shù)模擬3D海浪的研究工