專利名稱：一種基于投影網(wǎng)格的海洋表面建模及實(shí)時光照方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于投影網(wǎng)格的海洋表面建模方法和實(shí)時光照方法。
背景技術(shù)：
水流、海面、海浪、煙霧、火焰等現(xiàn)象具有復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律，無法用常規(guī)方法來對其進(jìn)行幾何建模，對這些現(xiàn)象的仿真在在計(jì)算流體力學(xué)(CFD)領(lǐng)域一直是研究的熱點(diǎn)。而在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，則主要結(jié)合物理控制方程以及幾何建模和繪制方法，按照時間的推移逐推演出流體的運(yùn)動形式，并從視覺上來實(shí)時模擬這些現(xiàn)象。目前最常用的流體模擬方法主要分為歐拉網(wǎng)格法和基于粒子的拉格朗日法，這些方法起源于流體運(yùn)動的物理模型，井隨著硬件計(jì)算能力的提高，逐漸在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域得到 重視。物理學(xué)中，Navier-Stokes方程描述了流體運(yùn)動的真實(shí)規(guī)律。他建立了流體各種屬性之間的關(guān)系，包括粒子動量的變化率(加速度)，作用在液體內(nèi)部的壓カ的變化，耗散粘滯力(類似于摩擦力)以及重力等外力作用之間的關(guān)系。為了能夠?qū)崟r更新流體的狀態(tài)，需要對整個“場”中的每ー處進(jìn)行實(shí)時更新，在計(jì)算ー個量如何沿著速度場移動時，若采用歐拉網(wǎng)格方法，可以將每個網(wǎng)格單元的坐標(biāo)點(diǎn)處看成是ー個相應(yīng)的粒子，與基于粒子的拉格朗日法不同的是，網(wǎng)格中粒子的位置并不隨流體的運(yùn)動，流體所受到的外力作用而變化而是將自身的ー些屬性信息傳遞給相鄰網(wǎng)格的粒子。Eric Bruneton, Fabrice Neyret使用Gerstner波對流體表面進(jìn)行建模，并使用三角函數(shù)實(shí)現(xiàn)海洋表面的動態(tài)波動，根據(jù)距離視點(diǎn)位置的遠(yuǎn)近，可為處于不同距離的空間位置賦予不同的權(quán)值，使得波的高度隨著距離的增加而衰減，直到無限遠(yuǎn)處的停止波動；而整個流體表面則用若干條三角函數(shù)疊加構(gòu)成，將一定的流體區(qū)域投影到視ロ空間，根據(jù)風(fēng)場的大小為不同空間設(shè)置不同的高度來實(shí)現(xiàn)流體表面的動態(tài)效果。Cem Yuksel和Donald
H.House等人基于波粒子的概念將波粒子轉(zhuǎn)化成高度場表面，提出了一種全新的方法來實(shí)時模擬流體水面和漂浮物體間相互作用所產(chǎn)生的波紋。這種方法簡單，效率高，并且對波粒子的模擬非常穩(wěn)定，適用于大多數(shù)有邊界的流體模擬。Nils Thuerey和Chris Wojtan等人采用基于三角網(wǎng)格表面張カ的方法將流體的模擬分為兩層，第一層采用歐拉的方法模擬表面張力，第二層采用拉格朗日有限元法模擬流體表面子網(wǎng)格的波動細(xì)節(jié)，有效模擬了有強(qiáng)表面張カ的復(fù)雜現(xiàn)象。表面光照效果包括光的反射，透明性，表面紋理和陰影等。為可見對象建立物理準(zhǔn)確的光照模型是ー個非常復(fù)雜的過程，這包含許多因素，如材料特性，對象相對于光源及其他對象的位置，以及場景中的光源屬性。此外，對象可以是不透明的，也可以有一定的透明度；其表面可以是光亮的，也可以是陰暗的，還可以帶來各種各樣的表面紋理等。其中，BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)是光照模型中一個重要概念，可用于描述入射光線在非透明物體表面如何進(jìn)行反射。Jiaping Wang, Peiran Ren, MinminGong等人基于BRDF模型提出了ー個使用環(huán)境光源和點(diǎn)光源來實(shí)時渲染動態(tài)空間各向異性全頻陰影的方法。Robert L. C00K和Kenneth Ε· Torrance則提出了一種新的反射模型,用于渲染計(jì)算機(jī)合成的圖片。該模型描述了入射光線的方向性分布，入射光線角度改變，反射光線也會產(chǎn)生變化,此時物體的顏色也會隨著反射光線的變化而變化。本發(fā)明主要通過對上述關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行集成、優(yōu)化來實(shí)時模擬具有高度真實(shí)感的動態(tài)海洋表面所應(yīng)呈現(xiàn)的視覺效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了實(shí)現(xiàn)海洋幾何建模和繪制的真實(shí)感與實(shí)時性之間的平衡，發(fā)明了一種基于投影網(wǎng)格的海洋表面建模及其在環(huán)境光照條件下的實(shí)時逼真繪制方法。本發(fā)明解決上述的技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為一種基于投影網(wǎng)格的海洋表面建模及實(shí)時光照方法，其步驟如下步驟(I)、在投影面上創(chuàng)建投影網(wǎng)格； 步驟(2)、根據(jù)視點(diǎn)信息，創(chuàng)建觀測矩陣Mview和透視矩陣Mpwspertive;步驟(3)、檢測投影的基本平面與視景體是否相交，如果不相交，說明在當(dāng)前視點(diǎn)下不需要進(jìn)行繪制，則轉(zhuǎn)步驟(2)，若相交則繼續(xù)步驟(4);步驟(4)、將步驟(I)在投影面上創(chuàng)建的投影網(wǎng)格中的頂點(diǎn)P一變換到相交的基本平面，得到基本面上的點(diǎn)Prald，使用觀測矩陣和透視矩陣的逆矩陣可以實(shí)現(xiàn)這個過程: Pworld [Myiew ^Perspective-! Pprojector ( I )步驟(5)、創(chuàng)建范圍轉(zhuǎn)換矩陣，檢測視景體的邊和基本平面的交點(diǎn)以及在視景體內(nèi)部的基本平面的頂點(diǎn)，并將這些點(diǎn)進(jìn)行范圍轉(zhuǎn)換，此吋，X和I的跨度分別被定義為投影后的點(diǎn)的X和y的最大值(xmax，ymax)和最小值(xmin，ymin)的差；公式(2)即為創(chuàng)建的范圍轉(zhuǎn)換矩陣
權(quán)利要求
1.一種基于投影網(wǎng)格的海洋表面建模及實(shí)時光照方法，其特征在于其步驟如下 步驟(I)、在投影面上創(chuàng)建投影網(wǎng)格； 步驟(2)、根據(jù)視點(diǎn)信息，創(chuàng)建觀測矩陣Mnev和透視矩陣； 步驟(3)、檢測投影的基本平面與視景體是否相交，如果不相交，說明在當(dāng)前視點(diǎn)下不需要進(jìn)行繪制，則轉(zhuǎn)步驟(2)，若相交則繼續(xù)步驟(4); 步驟(4)、將步驟(I)在投影面上創(chuàng)建的投影網(wǎng)格中的頂點(diǎn)變換到相交的基本平面，得到基本面上的點(diǎn)PWOTld，使用觀測矩陣和透視矩陣的逆矩陣可以實(shí)現(xiàn)這個過程Pworld [^View ^Perspective-1 Pprojector( I ) 步驟(5)、創(chuàng)建范圍轉(zhuǎn)換矩陣，檢測視景體的邊和基本平面的交點(diǎn)以及在視景體內(nèi)部的基本平面的頂點(diǎn)，并將這些點(diǎn)進(jìn)行范圍轉(zhuǎn)換，此時，X和I的跨度分別被定義為投影后的點(diǎn)的X和y的最大值(xmax, ymax)和最小值(xmin，ymin)的差；公式(2)即為創(chuàng)建的范圍轉(zhuǎn)換矩陣
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于投影網(wǎng)格的海洋表面建模及實(shí)時光照方法，其特征在于借助投影變換的逆變換來自適應(yīng)的生成海洋表面的二維平面網(wǎng)格。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于投影網(wǎng)格的海洋表面建模及實(shí)時光照方法，其特征在于在生成海洋表面的平面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，在縱軸上借助快速傅里葉變換來實(shí)現(xiàn)三維海洋表面的波動效果。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于投影網(wǎng)格的海洋表面建模及實(shí)時光照方法，其特征在于使用光照分解計(jì)算和基于硬件的延遲著色和紋理混合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境光照條件下的波動海洋表面的實(shí)時逼真繪制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于投影網(wǎng)格的海洋表面建模及實(shí)時光照方法，包括使用投影網(wǎng)格建立海洋表面幾何模型，并通過變換攝像機(jī)位置和觀測方向等參數(shù)，檢測投影網(wǎng)格與視景體的相交部分，確立處于視景體內(nèi)的所需繪制的海洋表面的范圍；基于快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform)來模擬海洋表面的波動效果，根據(jù)波浪長度的不同量級，采樣不同量級波長的頻率并將其轉(zhuǎn)換成振幅信息，用復(fù)數(shù)空間三角函數(shù)和的形式來表示動態(tài)變化的波浪；通過將光線分解為太陽入射光、天空反射光和海洋折射光，并將光照計(jì)算的積分簡化成多項(xiàng)式乘積或者線性函數(shù)的形式，來近似計(jì)算海洋表面的光照效果。本發(fā)明可滿足環(huán)境光照下對動態(tài)海洋表面的仿真，具有高度的逼真性和良好的實(shí)時性等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G06F19/00GK102855400SQ20121033338
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者李帥, 王東偉, 郝愛民, 楊麗鵬 申請人:北京航空航天大學(xué)