復(fù)雜環(huán)境下的海面實時建模與仿真研究.pdf

1、自然場景仿真一直以來都是計算機圖形學(xué)領(lǐng)域熱點研究方向之一，它被廣泛應(yīng)用于VRGIS、虛擬現(xiàn)實和計算機動畫領(lǐng)域。海洋環(huán)境是是自然場景的主要組成部分之一，基于風(fēng)場數(shù)據(jù)的海浪模擬對虛擬海洋環(huán)境的真實感具有重要的作用，本文在分析渲染管道負載平衡的基礎(chǔ)上，大量應(yīng)用GPU 技術(shù)解決風(fēng)場條件下的海浪建模問題，模擬海洋環(huán)境中船舶航行波擾動效果，基于視點的寬廣域海洋表面多細節(jié)層次快速建模，以及在復(fù)雜環(huán)境下的海面加速繪制。本文從實時性和真實感兩方面得到較好

2、平衡，所做的工作主要包括：
　　 1.介紹海洋風(fēng)場數(shù)據(jù)研究環(huán)境，著重分析了風(fēng)與波浪之間交互作用，從微觀力學(xué)角度闡述波浪形成過程，以及介紹海洋環(huán)境中波群和波浪折射等現(xiàn)象。本文從線性波、非線性波和頻譜理論等各方面詳細介紹了海浪特征及其各要素之間關(guān)系。
　　 2.對于動態(tài)變化的風(fēng)場海洋模型，我們根據(jù)分而治之思想，采用基波建模理論模擬海洋場景中各個不同區(qū)域海浪模型，然后疊加組合生成整個海面模型。在基波建模過程中，利用GPU 求解

3、線性波高度值，最后在GPU中快速繪制海洋模型。
　　 3.分析和對比了計算機圖形學(xué)波浪仿真領(lǐng)域各種水波建模方法，以船行波擾動為例，采用基于頻譜統(tǒng)計方法，利用CUDA 快速求解FFT算法建立環(huán)境海浪模型，然后充分利用GPU的并行性求解二維波動方程，從簡化的物理方程角度構(gòu)建水面擾動波形，最后在GPU中通過合成生成實現(xiàn)擾動動畫。
　　 4.著重分析復(fù)雜場景實時繪制方法，利用高效的場景分割和裁減算法減少進入繪制管道的圖元，同時平

4、衡分配CPU與GPU 負載，有效提高場景渲染效率。對于復(fù)雜海面場景，我們提出基于占有比例的遮擋查詢(OPOQ，Occupancy ProportionOcclusion Query)算法，減少對渲染圖像貢獻較少的模型對象，提高系統(tǒng)繪制效率。
　　 5.在基于動態(tài)視點環(huán)境下，我們采用基于視點的寬廣域海面拼接方法，提出有效的LOD 模型網(wǎng)格簡化算法，解決基于運動視點的大規(guī)模海面建模實時繪制問題。最后在水面光效渲染上，充分利用GPU