风浪的行为特征建模

论文摘要

随着虚拟现实、分布式视算和分布式仿真技术的发展，导致了对分布三维视景的更高要求。为了满足这种要求，我们提出了一种新的建模方法，即行为特征建模方法。行为特征建模方法能更深刻地反映事物的本质，在创建模型的同时，不仅赋予模型外形、质感等表观特征，同时赋予模型物理属性和与生俱来的行为能力，并且使之服从一定的客观规律。另一方面，自然景物的模拟是计算机图形学中的一个重要研究课题，在视景仿真、计算机游戏、影视、广告等各种领域中有着广泛的用途。与模拟地形、树木、云、火等其他自然景观相比较，模拟风浪更为困难和具有挑战性。对此，我们希望结合行为特征建模思想对风浪的模拟进行一定的研究，以期提高风浪的建模效率和建模能力，使所创建的风浪模型在具有颜色等外在表观特征的同时，也具有诸如推动浮体运动这样一些行为能力。我们的研究工作主要集中在三个方面：基于规则网格模型的风浪视景渲染、基于放射状不等间距网格模型的次摆线风浪视景渲染和自由浮体对风浪的动态响应。对风浪进行物理建模是本课题研究工作的基础，为此，我们从海洋学现有研究成果出发，利用海浪频谱分析方法，建立了风浪运动的物理模型，并实现了基于海浪谱的波浪造型及显示。我们也探讨了不同的网格模型以用于表现不同的海况，其中基于规则网格模型的正弦型波比较适合表现较为平静的海况，基于规则网格模型的次摆线波比较适合表现较为狂躁的海况，而基于放射状不等距网格模型的正弦型波比较适合表现涟漪效果。此外，为了加快渲染速度，我们采用诸如三角带化和有限差分方法。为了能进一步刻画风浪的行为属性，我们将力学和计算机科学相结合，建立了一个简化的浮体动力学模型，并实现了浮体对波浪动态响应的仿真。我们在配置为赛扬2.66GHz CPU，Nvidia Geforce4 MX400显卡，256M内存的计算机上进行了实验，实验结果表明当网格分辨率为64X64，且组成波的数量为16时，浮体运动非常连续，帧渲染速度到达每秒40帧。另外，在同样的硬件配置下，当网格分辨率为64X64，且组成波的数量为8时，次摆线风浪的视景渲染速度可以达到每秒30帧，且渲染的风浪比较逼真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 课题的来源和意义
• 1.2.1 课题的来源
• 1.2.2 课题的意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 波浪建模与绘制技术的现状
• 1.3.2 波浪和浮体相互作用的行为特征建模的现状
• 1.4 相关技术
• 1.4.1 虚拟现实技术
• 1.4.2 OpenGL技术
• 1.4.3 多线程技术
• 1.5 论文的结构
• 第2章 风浪的波动理论
• 2.1 概念和基本术语
• 2.2 风浪的基本方程和边界条件
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.2 边界条件
• 2.3 微幅波理论
• 2.3.1 微幅波方程及其解
• 2.3.2 微幅波的特征
• 2.4 次摆线波理论
• 第3章 基于海浪谱的风浪视景建模
• 3.1 不规则海浪的谱分析理论
• 3.1.1 海浪的频谱分析
• 3.1.2 海浪的方向谱
• 3.2 风浪的几何模型
• 3.2.1 余弦型风浪外观
• 3.2.2 次摆线型风浪外观
• 3.3 风浪绘制的网格模型
• 3.4 风浪绘制和渲染时的一些加速方法
• 3.4.1 采用三角带化渲染
• 3.4.2 波面网格点的法线快速计算
• 3.4.3 对正弦型函数的麦克劳林逼近
• 3.5 风浪对天空的反射效果
• 第4章 浮体对风浪的动态响应
• 4.1 力学基础
• 4.1.1 质点系和刚体
• 4.1.2 静力学相关知识
• 4.1.3 运动学相关知识
• 4.1.4 动力学相关知识
• 4.2 浮体受力的物理模型和算法
• 4.2.1 确定空间任意一点在水平网格内的位置
• 4.2.2 确定水平网格内任意点所对应的波高值
• 4.2.3 确定倾斜状态下浮体边对和波面相交点的坐标
• 4.2.4 任意倾斜角度下浮体浮心的计算
• 4.2.5 计算出偏转力矩
• 4.2.6 浮体运动算法
• 第5章 实验分析
• 5.1 风浪渲染中不规则网格模型的定性分析
• 5.2 风浪渲染中网格模型的定量分析
• 第6章 研究工作总结和进一步工作的展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 系统的创新点
• 6.3 将来的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目
• 附录A 线性微幅波理论的主要公式
• 附录B 不同水深情况微幅波的主要关系式
• 附录C 浮体动力学模型的部分源代码