论文研究-海浪建模与绘制技术综述.pdf

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海浪建模和绘制技术成为计算机图形学和虚拟现实领域共同关心的自然现象模拟问题。侧重从计算机图形学的研究角度对海浪建模和绘制技术进行了综述,介绍了近二十年来提出的典型海浪建模和绘制方法及其最新研究进展,给出了这些方法的基本原理并加以分析比较,最后对海浪建模和绘制技术的未来研究给出了一些建议。
668 计算机应用研究 第25卷 变化将高度场所对应的顶点组织成四义树,并且在树中记录各位置的变化,形成层次细节,但都没有考虑视点与海面距离和 个顶点与相邻顶点的依赖关系。绘制时,自顶向下访问该四叉视向变化时,采样点数的变化。这在一定程定上造成采样冗 树,根据高度差在屏幕的投影以及依赖关系,选择适当的顶点余,增加了计算负担。当前研究热点大多是对上述方法进行改 实时地构成三角形网格。 进,提高其采样精度和效率。 3)静态海方法静态海方法(图2)是将视点附近的某个 预定的固定区域等分成一定数量的网格,视为动态海面,而远3研究动向 处的区域视为静态海面。它把近处的海域按距离进行等分,远 尽管对海浪建模和绘制采用的方法不同,但最终目标都可 处的海或则划分为八块近似无穷的区域。国际知名的仿真软归结为牛成场景的真实感和绘制帧率。又由于各自关注的侧 件公司 Coryheaus Software Inc(C)的 open sea楼模块就采用重点不同,究的重点也有所侧重。对于计算机游戏、作战模 静态海方法。此方法在一个相对距离范围内,采用均匀网格 拟等,期望在满足实时的前提下,得到更多的细节特征,找到 灵活性较差。 种快速、稳定的建模和绘制方法,以保证人们在交互设计的过 程中就能观察到效果,从而对效果不断进行调整直至满意;对 动△海域 于电影等,则是尽可能地追求细节特征,期望能找到一种能生 成高度真实感海浪的建模和绘制方法,而不太注意绘制效率, 态海域 因为绘制效率可由后期制作实现。另外,人们期望能够对海浪 佟均匀网格 的运动进行允分的控制,如凋整海浪的方向、大小、破碎等,使 图静态海网格 其运动能够满足人们的意愿或者想象,而不必关心其是否遵循 4)投影网格方法 Johanson的投影网格、鄢来斌的物理规律 视场分割算法( view division algorithim,VDA)、解翠2的改进 3.1细节策略 实时海浪几何模型、文献[33]的在CPU上实现可见视域分割 算法(图3),其思想基本相同:在静止状态时海面的每一个网 刈于细节的加强是出于人们对真实感的要求,细节的损失 格都覆盖屏暮上同样大小的区城;将屏幕上显示的海面区会导致严重的失真。例如海浪的模拟中,若采样网格点太少 域均匀细分成四边形的格子,每个格子后向透视投影到静止海生成的海浪就会严重失真;波浪破碎的模拟中,如模拟泡沫和 平面,则可获得海面上对应的不均匀分布的网格位置,即所有飞沫的粒子数过少,虽然提高了速度,但场景的真实感很难满 网格点的本体坐标为(x1,x);然后在系统仿真过程中将预计 足要求。为了增加细节,提高真实感,Chen等人和ros 算的网格作为一个几何对象在世界坐标系下随视点位置一起 r1:1采用 Navier -Stokes方稈,即经典流体力学来建立水波 进行几何变换。他们在具体执行时,都首先将视平面进行一次 模型; Peachey2.用两个粒子系统来模拟泡沫和飞沫(一个 件均匀划分,然后连接视点和视半面上的采样点,这条连接直于模拟波浪破碎时生成的泡沫和飞沫;一个用于模拟波浪与 线与海面的交点就是海浪表而的采样点。此方法不需要对视部分淹没在水中的障碍物碰撞所产生的飞沫效果)。 场进行可见性判断,且能对广阔的海面进行采样表现而不增加3.2加速策 计算量。但此方法只对视平面进行一次均匀分割,当视点或视 绘制效率是海浪建模和绘制的另一个追求目标。为了加 向发生变化,距离海面由近至远时,采样点数没有改变,因此计速绘制效率,采取了不少策略:采用先过的图形硬件技术,提高 算量没有减少;距离海面由近至远时,采样点数不变,而细节层绘制效率;简化改进模型,减少计算量;采用ID技术,减少绘 次逐渐降低,由于动态海面差别不大及显示器显示能力(人眼制网格数。 分辨能力的限制)限制,采样点数为M与M/2和M4时生成 随着硬件的发展,尤其是图形处理器(GPU)以大大超过 的图像没有什么区别,即未增加显示细节。 摩尔定律的速度高速发展和其可编程功能的出现,基于GPL 5)圆形网格方法文献[34,35]中所用的圆形网格方法进行加速计算成为一个新的研究热点。为了提高绘制效 (图4)以视点在海面的重为圆心,方向上沿圆周对角度进行率,文献[37,381屮利用GPU的通用计算能力分担部分计算, 等分,距离上在离圆心较近的地方采样点多,随着距离的增加,提高了海浪模拟的实时性;而文献[8,24,39,401则完全利用 采样点数逐渐减少。该方法适合表现以物体为中心的海浪场GPU来完成海浪的合成和绘制。为了减少计算量,现在的大 景。采用该方法,近处可以得到更多的细节,获得高度責实感多数海浪建模方法都避开采用、S方稈,而是选用计算量较少 的画面。但此方法近处采样点过多,计算量相应增大,而未显的其他方法。为减少网格数,国际知名的仿真软件公司CS的 著提高显示细节。著名游戏“ Pacific Fighters”中,就采用此方 open sea模块的静态海方法,将计算限定在感兴趣的区域;文 法来模拟战机及舰艇周围的海。 献[34,35]中的圆形网格方法,在绘制对象周围动态生成具有 连续分辨率的网格;文献[11,20,32,33]的投影网格方法,只 动态生成用户视野內的连续分辨率网格。 3.3控制策略 只有为海浪模拟提供灵活的控制,才能实现较强的交亐性 和沉浸感。文献[20通过控制网格数、颜色、视点等实现对模 拟场景的控制。2006年3月ATI开发包的 render to vertex 对于动态海浪,上述网格生成技术各有优缺点,适合于不 buffer ocean water例子中,通过控制风向、风速实现对波浪方向 同的应用,但存在一个共同缺点,即在视点视向变化时采样点和大小的控制。 Peachey2通过控制粒子的方法对破碎波的速 第3期 李苏军,等:海浪建模与绘制技术综述 ·669 度、方向、大小等进行控制。文献[41]通过构建二维乖直切片库18] TESSENDORF J. Simulating ocean water[EB/OL].(2001).ht: 的方式,提供」一个灵活的三维波浪破碎模拟的交互方式。 home. gte. net/tssndrf/index. html [19 PERLIN K. An image synthesizer[ C]//Pmc of SIGGRAPH85San 4结束语 Francisco:[s.n.],1985:287-296 20 JOHANSON C Real-time waler rendering[ D]. Sweden: Deparlnenl 对海浪建模和绘制的研究一直是计算机图形学中的一个 of Computer Science, Lund University, 2004 热点,正如 Industrial Light and Magic的动画总监 HalHicke所21]李广鑫,丁国,詹海生,等,一种面向虚拟环境的真实感水波面 说,过去的十年,计算机图形业一直专注于制造烟雾、水火的真 建模算法[J].计算机研究与发展,2004,41(9):1580-1585 实效果。近几年,随着硬件技术的发展使得模拟的真实感[22]王磊,丁友东,张,等恭于P-lm噪声绘制水面的方法[]计 和实时性都得到很大提高。尽管如此,由丁海浪时空高度动态 算机研究与发展,2005,42(增刊):207-210 特性、计算复杂性和耗时性等,使得几乎不可能找到一个通用23]陆志慧,鄢來斌,皮学贤,等.基于噪声分形面的海面建模与绘制 的建模和绘制方法来实时交互表现动态万变的海浪。设计 J].计算机研究与发展,2005,42(增刊):7478 个能实时交互、实现海陆一休化、能多尺度表现海浪的系统仍[241CHYF, CHANG Chun, Fast additive sound synthesis for real 然是一个具有巨大挑战性的问题,存在诸多关键技术需要深入 time simulation of oce an surface[C]// Proc of the International Con- 研究。 ference on Systems, Signals and Image Pmcessing. 2006: 223-226 参考文献: [25 REEVES W T. Particle systems: a technique for modeling a class of fuzzy objects[ J]. Computer and Graphics, 1983. 17(3): 359-376. [11 FOURNIER A, REEVES W T. A simple model of ocean waves J 26 PEACHEY D R. Modeling waves and surf J. Computer and Comput Graph,1986,20(4):75-84 Graphics,1986,20(4):65-74 [2J IGLESIAS A. Computer graphics for water modeling and rendering: a [271 WANG Chang-bo, WANG Zhang-ye, JIN Jian-qiu, et al. Real-time survey[ J. Future Generation Computer Systems, 2004, 20 simulation of ocean wave hased on cellular automata[ C]//Proe of (8):1355-1374 CAD/GRAPHICS. Macao: s n], 200 3]苏奋振,灶云艳,裴相斌,等.中国数宇海洋构建基准与关键技术[28] YIN Yong, JIN Yi-cheng, REN Hong- xlang. Wave sinm lation of vi [J].地球信息科学,2006,8(1):12-15,20. sual system in marine simulator hased on wave spectrums C//Proc [4 BLINN J F. Simulation of wrinkled surfaces J. Computer and of MAsim’03.2003 Graphics,1978,12(3):286-292 29 PAIN CC, PIGGOTT M D. Three-dimensional unstructured mesh [5 POZZER C T, ROBERTO S, PELLEGRINO M Procedural solid-epace ocean modelling[ J. Ocean Modelling, 2005, 10(1-2): 5-33 techniques for modeling and animating waves [J]. Computer and [301 LINDSTROM P. KOLLER D. RIBARSKY W. et al. Real-time Graphics,2002,26(6):877-885 continu-ous level of detail rendering of height fields C//Proc of [6] FISHMAN B, SCHACHTER B. Computer display of height fields SIGGRAPH.1996 I J. Computer and Graphics, 1980, 5(2-4): 53-60 [31] CSI Inc. Open Sea maritime module user's guide[K][S 1.]: Cory I7 MAX N L. Vectorized procedural models for natural terrain: waves heals Software Inc 1997 and islands in the sunset[ J」. Computer and Graphics,181,15[32]解翠改进的实时海浪网格模型[J].系统仿真学报,2004,16 (3):317-324 10):2146-2148 [8 MITCHELL J L. Real-time synthesis and rendering of ocean water [33 HIN SINGER D, NEYRET F. CANI M P. Interactive animaTion of [R].[S.1.]:AT,2005 ocean waves C //Proc of ACM SIGGRAPH Symposium on Computer [9 GERSTNER F Theorie der wellen[J]. Annalen der Physik, 1809 Animation 2002-161-66 32(8):412-440 34 Using vertex texture dis placement for realistic water rendering [EB/ 10 RANKINE W J W. On the exacT form of waves near the surfaces of Ol.. Http: //developer. nvidia com/objert/gpll-gems_2_home. html deep water J. Phil Trans R Soc A, 1863. 153(4): 127-138 [35]李苏军,宋汉辰,吴玲达,等.海浪实时建模与绘制技术研究[J] [1l]鄢来斌.虛拟海战场景建模与实时绘制技木的研究与实现匚D]. 系统仿真学报,2006(增刊):255-257 长沙:国防科学技术大学,200 「36]吴恩些.图形处理器用于通用汁算的技术、现状及其挑「J1.软 [12 CHEN J X, LOBO N V. Tow ard interactive-rate simulation of fluids 件学报,2004,15(10):1493-1504 with moving obstacles using Navier-Stokes equations[J」. Graph[37]杨兵,李凤霞,战守义.基于CPU的真实感海洋效果的实时绘制 Models and Image process, 1995, 57(2): 107-116 方法[冂].计算机研究与发晨.2005,42(增刊):150-153 [13] FOSTER N, METAXAS D. Modeling water for computer animation[38]杜莹,武玉国,王晓明,等,基于图形处理器的海浪仿真研究[J J」. Commun acm,2000,43(7):6067 海洋测绘,2005,25(3):12-16 14 KASS M, MILLER C. Rapid, stable fluid dynamics for com puter 39 CHIL Y F, CHANG Chun-fa. GPU-based ocean rendering C//Proc graphics[ C]//Proc of ACM SIGGRAPH Symposium on Computer of cmE. 2006 Graphics. 1990: 49-55 I 40 GALIN E, CHIBA N. Realistic water volumes in real-time[ C]//Proc [15]徐迎庆,苏成,李华,等.基于物理模型的流水及波浪模拟[J].计 nf the Eurographics Work shop on Natural Phenomena. 2006: 1-8 算机学报,1999,19(增刊):153-160 [41 MIHALEF V, METAXAS D, SUSSMAN M. Animation and control of I 16 FOSTER N. Realistic animation of liquids J. Graphical Models breaking waves[ C]//Prut of ACM SIGGRAPH Eurographics Syupe and Image Processing, 1996.58(5): 471-483 sium on Computer Animation. 2004: 315-324 17J JENSEN L S. Deep-water animation and rendering[ EB/OL J [42] OLSEN S. Hollywood whistles a high-tech,toon[ EB/OL].(2004) (2001).http://www.gamasutra.com/gdce/jensen/jensen_01.htm http://ppnews.zdnetcom/p2100-1040-22-543167723.htmi

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