隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展,使得人們在大規(guī)模的實時虛擬海洋環(huán)境下漫游成為可能。虛擬海洋場景的實時繪制在計算機圖形學(xué)研究中既是熱點又是難點。它在海洋勘測、災(zāi)害救援、主機游戲、影視特效等方面起著重要的作用。隨著人類對海下資源的開發(fā)和利用,海下自然場景的仿真具有了重要的實際意義。為實現(xiàn)更為逼真的海底場景的實時繪制研究,本文主要在以下幾個方面進行算法研究,分別是真實感海洋建模、海下光學(xué)效果、虛擬海底場景漫游及交互。首先,在真實感海洋場景搭建過程中,采用基于LOD技術(shù)的投影網(wǎng)格進行建模,解決海洋表面和島嶼地形范圍廣的問題,采用基于統(tǒng)一的海洋學(xué)統(tǒng)計模型的長短波譜結(jié)合快速逆傅里葉變換實現(xiàn)實時的大規(guī)模海面起伏效果;采用Shuriken粒子系統(tǒng)方法解決多種形態(tài)海底氣泡的實時模擬問題。其次,在海下光學(xué)效果的模擬過程中,提出一種改進的光線追蹤算法結(jié)合透光比計算解決了海下體積光的繪制問題。針對陰影和焦散效果的繪制問題,采用陰影映射和紋理映射技術(shù)繪制實時陰影和焦散效果。為了加快光照算法的計算,選用線性八叉樹加快光線與節(jié)點碰撞檢測速度,從而使得光照模型可以實時計算。然后,在虛擬海底場景漫游及交互研究中,本文創(chuàng)新性的采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機仿真相結(jié)合,實現(xiàn)虛擬海底場景漫游及交互。在虛擬海底漫游研究中,采用虛擬定位技術(shù)結(jié)合Steam Plugin組件實現(xiàn)真實感海底漫游效果。利用碰撞檢測算法結(jié)合控制手柄上的可編程按鈕通過編程實現(xiàn)虛擬海底交互。在魚群運動的研究中采用在魚群空間內(nèi)設(shè)置隨機目標(biāo)點實現(xiàn)魚群的隨機游動,為魚群中的魚添加剛體組件,解決魚類之間的碰撞產(chǎn)生的材質(zhì)穿透問題。利用在頂點片元著色器中計算植物的偏移位置,實現(xiàn)海底植物的運動問題。最后,通過Unity3D游戲開發(fā)平臺結(jié)合UnityShaderLab著色器語言設(shè)計并實現(xiàn)多要素海底場景虛擬漫游與交互系統(tǒng),實驗中所有效果均為實時渲染。實驗結(jié)果表明,本文方法能夠?qū)崟r高效的模擬多要素虛擬海底場景,真實感強且具有很高的實時性。
【學(xué)位單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP391.9;P229
【部分圖文】：

對氣泡進行受力分析，如圖2-4 所示。圖 2-4 海底氣泡受力分析圖bF 為氣泡的浮力，gF 氣泡的重力，dF 為水的阻力，pF 為水流運動對氣泡的壓力(這個壓力可以是任意方向)，我們假設(shè)這個壓力為 0。氣泡的i1t 時刻的速度可計算如式(2-10)，(2-11)，(2-11)所示。a bFg d F F F(2-10)a bF m a(2-11)

物體的表面像素點渲染到屏幕之上，如圖 3-2 所示。本文則是采用求解亮度值積分的方法渲染射線經(jīng)過的路徑上的每個點。圖3-2 光線追蹤原理圖3.1.1 亮度值積分求解海水內(nèi)部每個采樣點的亮度值。從視點開始，對每個從射線經(jīng)過的采樣點上的亮度值進行求和計算，從而獲得像素的顏色。由于光的特性是傳播按距離增加而衰減，光的亮度和離光源的距離成平方反比。因此可以得到一個基本的衰減公式如式(3-1)所示。2Iid (3-1)

采樣點處的亮度值，通過對所有采樣點的亮度值進行求和獲得所有采樣點的亮度值。如圖 3-3 所示。圖3-3 采樣點亮度值求和S 為光源位置， C 為攝像機(視點)位置， O 為物體位置，1t 、2t 、3t 、4t 分別為四處采樣點，此處設(shè)函數(shù)L (t )為采樣點t 處亮度值，函數(shù)x (t )為視線的積分曲線。可得公式如式(3-2)所示。( ) *c dx t r t r(3-2)其中cr 為視線起點，dr 為視線方向，將函數(shù) x (t )代入 L (t )中得到如式(3-3)所示。 2( )( )IL tx t s (3-3)其中S 為光源位置
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本文編號：2843044