自然景物模擬一直是計算機圖形學(xué)場景建模的重要研究內(nèi)容之一,在虛擬現(xiàn)實、游戲動畫、影視廣告中均有廣泛的應(yīng)用,其中自然景物流體模擬更是近來的研究重點。在以往的研究中更多的將流體場景作為大概念的物體類型而忽略其不同的性狀,導(dǎo)致各類流體場景效果同一化,降低了整個自然場景模擬的真實性。針對以上現(xiàn)象,本文主要研究工作及研究成果如下:首先,本文對虛擬場景中各種自然景物的算法進行了廣泛的研究,在此基礎(chǔ)上觀察分析自然流體和周邊景物對象的狀態(tài)、顏色、溫度、起伏、流速等物理特征和相互影響,據(jù)此研究模擬仿真的基本技術(shù)和方法以及設(shè)計虛擬場景的結(jié)構(gòu)和模塊。其次,使用腳本語言和OpenGL圖形庫完成對流體景物的模擬,使用Maya建模工具創(chuàng)建仿真模型,對其他自然景物進行建模仿真。最后,運用Unity3D引擎處理和渲染復(fù)雜的三維模型,使用光照、渲染、材質(zhì)、剛體引擎、場景漫游等技術(shù)整合出一個完整場景,包括虛擬自然環(huán)境的地形、植被、河流、海洋等對象的三維模型。實現(xiàn)虛擬自然場景的建立和優(yōu)化,將流體景物與自然景物結(jié)合。
【學(xué)位單位】：西安石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TP391.41;TP391.9
【部分圖文】：

時便需要帶有alpha通道的圖像來進行修復(fù)，反而增大工作量。UV坐標(biāo)則是用U,V來定義坐標(biāo)軸。水平方向是U，垂直方向是V，取值在（0，1）之間，否則會出現(xiàn)紋理重復(fù)現(xiàn)象。即水平方向的第U個像素即圖片寬度，垂直方向的第V個像素即圖片高度[22]，以立方體為例，左下角頂點為（0,0），右上角頂點為（1,1），其中間點坐標(biāo)由比例縮放可得所有的圖像文件都在二維平面上。由此可以定義任意該二維平面上的像素。用UV紋理貼圖的方法可以將圖像上每個點精確對應(yīng)到需要貼圖的模型表面。并在像素點之間的空隙位置進行圖像光滑插值處理。下圖2-1是水面紋理貼圖的示例：圖2-1水面紋理貼圖示例通過代碼可以對紋理貼圖進行控制，其中三角網(wǎng)格的編號、頂點設(shè)置都是自定義可修改的。運用腳本還可以通過修改UV來實現(xiàn)只渲染某個面，或者實時變換各個面的貼圖等。由于河流的研究重點在于其流動形態(tài)和水體與岸邊巖石激起的水花，對水面效果要求不高，故本文在河流的水面繪制時也采用了uv紋理貼圖的方法。2.1.2正弦函數(shù)與Gerstner波水面運動模擬要得到的一般是兩組數(shù)據(jù):水面網(wǎng)格的幾何波動和法線方向。在模擬繪制如水波浪潮這樣高度值頻繁變化的情況時，一般將水面視為由大量三角形面片組成的規(guī)則網(wǎng)格，計算每個網(wǎng)格點的高度值，包括當(dāng)前時刻高度、前一時刻高度和下一時刻高度。通過當(dāng)前時刻高度得到法線圖。用當(dāng)前時刻高度對水面網(wǎng)格繪制位移圖，用法線圖計算光照，交換高度圖[23]。當(dāng)這一幀的渲染結(jié)束時，當(dāng)前時刻的高度變成前一時刻的高度，下一時刻的高度變成了當(dāng)前時刻的高度。從而產(chǎn)生一張高低起伏的面，網(wǎng)格的抖動造成高度變化形成波紋。這種方法可以達成很精準(zhǔn)的模擬，并且隨著三角形數(shù)量增多，對于水面建模的規(guī)律有著很好的把握。

第二章場景模擬相關(guān)技術(shù)概述7在一開始，在研究水面模擬時一般采用簡單的正弦波求和來表現(xiàn)，可以選擇如下公式（2-1）的變換：2（sin12）（2-1）如圖2-2正弦波圖像所示，使用正弦波模擬能夠得到一個平滑的疊加波形,非常適合于模擬平靜的水面,比如湖面和池塘等。但是在自然界大部分水面，波峰更加尖銳,波谷更寬闊而平滑。圖2-2正弦波圖像在使用正弦函數(shù)繪制海面數(shù)據(jù)時可以通過提高x的細(xì)分程度來提升對細(xì)節(jié)部分的繪制效果，同時會在波谷處產(chǎn)生大量的多余計算[24]。這樣可以使在波峰處的網(wǎng)格點較密集，在波谷處的網(wǎng)格點較稀疏。為了解決這些問題，可以采用Gerstner波的算法。如圖2-3所示，Gerstner波模型描述的是擁有無限深度且不可壓縮的流體表面的波形，最初在物理中用于水波的模擬，已有幾百年歷史。由于它的形狀更接近真實水面形態(tài)，并且計算量不大，因而被廣泛用于計算機圖形學(xué)中水波的模擬。圖2-3Gerstner波圖像其參數(shù)方程為：（）（）（2-2）（）（）（2-3）其中p是自變量，參數(shù)Q、D、A用來控制形狀。Q控制波峰的尖銳度，如果Q為0，則Gerstner波與正弦波無異，如果Q值過大以則波峰頂部會生成環(huán)路。故此時可以選擇將Q值設(shè)置為(0,1)之間的一個變量參數(shù)，由此可以生成從平滑的波到陡峭的波，效果更為逼真。D控制波長，是波峰到波峰的距離；A為振幅，是水平面到波峰的高度，決定波形高度；振幅和波長之比較大的波決定波形表面方向。觀察公式（2-2）中（）的表達式可以看出，與正弦波相比，Gerstner波在波峰處的

第二章場景模擬相關(guān)技術(shù)概述7在一開始，在研究水面模擬時一般采用簡單的正弦波求和來表現(xiàn)，可以選擇如下公式（2-1）的變換：2（sin12）（2-1）如圖2-2正弦波圖像所示，使用正弦波模擬能夠得到一個平滑的疊加波形,非常適合于模擬平靜的水面,比如湖面和池塘等。但是在自然界大部分水面，波峰更加尖銳,波谷更寬闊而平滑。圖2-2正弦波圖像在使用正弦函數(shù)繪制海面數(shù)據(jù)時可以通過提高x的細(xì)分程度來提升對細(xì)節(jié)部分的繪制效果，同時會在波谷處產(chǎn)生大量的多余計算[24]。這樣可以使在波峰處的網(wǎng)格點較密集，在波谷處的網(wǎng)格點較稀疏。為了解決這些問題，可以采用Gerstner波的算法。如圖2-3所示，Gerstner波模型描述的是擁有無限深度且不可壓縮的流體表面的波形，最初在物理中用于水波的模擬，已有幾百年歷史。由于它的形狀更接近真實水面形態(tài)，并且計算量不大，因而被廣泛用于計算機圖形學(xué)中水波的模擬。圖2-3Gerstner波圖像其參數(shù)方程為：（）（）（2-2）（）（）（2-3）其中p是自變量，參數(shù)Q、D、A用來控制形狀。Q控制波峰的尖銳度，如果Q為0，則Gerstner波與正弦波無異，如果Q值過大以則波峰頂部會生成環(huán)路。故此時可以選擇將Q值設(shè)置為(0,1)之間的一個變量參數(shù)，由此可以生成從平滑的波到陡峭的波，效果更為逼真。D控制波長，是波峰到波峰的距離；A為振幅，是水平面到波峰的高度，決定波形高度；振幅和波長之比較大的波決定波形表面方向。觀察公式（2-2）中（）的表達式可以看出，與正弦波相比，Gerstner波在波峰處的
【參考文獻】

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本文編號：2890190