隨著虛擬現(xiàn)實技術的快速發(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研究中既是熱點又是難點。它在海洋勘測、災害救援、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技術的投影網格進行建模,解決海洋表面和島嶼地形范圍廣的問題,采用基于統(tǒng)一的海洋學統(tǒng)計模型的長短波譜結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,在海下光學效果的模擬過程中,提出一種改進的光線追蹤算法結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)實技術和計算機仿真相結合,實現(xiàn)虛擬海底場景漫游及交互。在虛擬海底漫游研究中,采用虛擬定位技術結合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設置隨機目標點實現(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生的材質穿透問題。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)平臺結合UnityShaderLab著色器語言設計并實現(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。實驗結果表明,本文方法能夠實時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。
【學位單位】：燕山大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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部每個采樣點的亮度值。從視點開始，對每個從射線經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，此處設函數L (t )為采樣點t 處亮度值，函數x (t )為視線的積分曲線�？傻霉饺缡�(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 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