本文選題：海浪模擬　切入點：海浪譜　出處：《武漢理工大學》2008年碩士論文

【摘要】： 近年來,由于游戲、動漫、影視、廣告、建筑、視景仿真、科學計算可視化等各個領(lǐng)域?qū)?D動畫的應(yīng)用,使得計算機圖形學和虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了很大的發(fā)展。在計算機圖形學領(lǐng)域中,自然景物的模擬一直是具有挑戰(zhàn)性的研究熱點之一,因為自然景物形態(tài)各異,運動不規(guī)則,并且具有一定的生命周期,難以用幾何模型進行描述。水作為一種自然景物,以其流動性、透明性以及復雜的光學特性使其成為模擬中的難點。海浪模擬作為水流體模擬的一個分支,常常作為動畫的背景,在許多三維游戲、模擬訓練及影視特效等應(yīng)用中,逼真的、大范圍的海面場景模擬成為不可或缺的重要內(nèi)容。海面模擬涉及的范圍十分廣闊,而且海面波動規(guī)律十分復雜,海面波動受到各種力的作用與影響。同時,海面作為動畫場景的背景,對其真實感和實時性也有較高的要求。因此,建立合適的海浪運動模型,實現(xiàn)海浪模擬是很有意義的。本文從這一目的出發(fā),利用海洋學的經(jīng)驗公式,采用海浪譜方法建立了海浪的數(shù)學模型,并使用LOD技術(shù)簡化海面網(wǎng)格的計算量,通過光照和紋理映射的渲染,實現(xiàn)了深海區(qū)域的3D海浪模擬,并在實時性和渲染方面都取得了令人滿意的效果。具體研究工作如下: 通過對國內(nèi)外海浪模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀的分析,結(jié)合圖形實時繪制技術(shù),給出了海浪模擬的基本步驟。 在分析海面網(wǎng)格的細化的方法及裂縫和邊緣縫合技術(shù)的基礎(chǔ)上,構(gòu)造LOD網(wǎng)格以減少網(wǎng)格計算量。 在深入分析了主流的海浪模型的構(gòu)造方法和適用范圍之后,從海洋學的觀測結(jié)果入手,利用海浪P-M頻譜及SWOP方向函數(shù)計算得到的不同頻率、方向角、振幅的組成波,線性疊加生成海面高度場,從而建立海浪動畫的每一幀。在利用海浪譜方法生成海面高度場的過程中,通過三角函數(shù)計算簡化,降低計算代價提高幀率。并通過對海面賦予一定的光照和材質(zhì)參數(shù)、計算反射紋理坐標以及背景貼圖渲染海浪,實現(xiàn)深海海域海浪的3D動畫。 此外,通過實驗數(shù)據(jù)比較,證明了采用LOD網(wǎng)格以及海浪譜方法模擬的廣闊深海海域的海浪動畫能實現(xiàn)動畫的現(xiàn)實性要求,且渲染效果比較理想。 最后,對基于海浪譜方法和LOD技術(shù)模擬3D海浪的研究工作做了總結(jié)和進一步的展望。
[Abstract]:In recent years, due to the application of 3D animation in the fields of game, animation, film and television, advertising, architecture, visual simulation, scientific computing visualization and so on, computer graphics and virtual reality technology have been greatly developed.In the field of computer graphics, the simulation of natural scenery has always been one of the challenging research hotspots, because natural scenery has different shapes, irregular movement, and has a certain life cycle, so it is difficult to be described by geometric model.Water, as a natural scene, is difficult to simulate because of its fluidity, transparency and complex optical properties.As a branch of water fluid simulation, ocean wave simulation is often used as the background of animation. In many applications such as 3D games, simulation training and film and television special effects, realistic, large-scale sea scene simulation has become an indispensable important content.The range of sea surface simulation is very wide, and the law of sea surface fluctuation is very complex, and the sea surface fluctuation is affected by various forces.At the same time, as the background of the animation scene, the sea surface also has a high demand for its real-time and real-time.Therefore, it is very meaningful to establish a suitable wave motion model and realize the wave simulation.For this purpose, the mathematical model of ocean wave is established by using the empirical formula of oceanography and the method of wave spectrum. The calculation of sea surface grid is simplified by using LOD technique, and the rendering of illumination and texture mapping is carried out.The 3D ocean wave simulation in deep sea area has been realized, and satisfactory results have been obtained in real time and rendering.The specific studies are as follows:The basic steps of ocean wave simulation are given by analyzing the current situation of ocean wave simulation technology at home and abroad and combining with the real-time drawing technique.On the basis of the analysis of the thinning method of sea surface mesh and the technique of crack and edge stitching, the LOD mesh is constructed to reduce the amount of mesh computation.After deeply analyzing the construction method and applicable range of the mainstream wave model, starting from the oceanographic observation results, the component waves of different frequencies, direction angles and amplitudes are calculated by using the P-M spectrum and the SWOP direction function of the waves.The linear superposition generates the sea surface height field, thus establishing each frame of the wave animation.In the process of generating sea surface height field by using wave spectrum method, the calculation of trigonometric function is simplified to reduce the calculation cost and increase the frame rate.By giving certain illumination and material parameters to the sea surface, the reflection texture coordinate and background map are calculated to render ocean waves, and 3D animation of ocean waves in deep sea area is realized.In addition, through the comparison of experimental data, it is proved that the simulation of ocean wave animation in the vast deep sea area using LOD mesh and wave spectrum method can meet the realistic requirements of animation, and the rendering effect is ideal.Finally, the research work of 3D ocean wave simulation based on wave spectrum method and LOD technology is summarized and further prospected.
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：TP391.9

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本文編號：1724319