基于GPU的实时水波模拟方法研究与实现

论文摘要

自然现象的模拟一直以来都是计算机图形图像领域最具有挑战性的研究方向之一,它是将生活中存在的自然现象如水波、火焰、烟雾、云层等用计算机再现的一种技术。水波是一种十分复杂的自然现象,水波的实时真实感绘制存在着更大的难度。Gerstner模型虽然具有波峰较陡峭,波谷较平坦的波浪特征,但其几何形态是完全对称的,与现实中有风的水面不符合。本文在分析和比较现有算法和模型的基础上,采用了一种改进的Gerstner模型来生成水面,使波形向着波前进的方向平移。与波阵面同侧的波形变得陡峭,而背着波阵面一侧的波形变得平坦。改进后的波形更符合现实中有风的水面波形特点。我们基于改进后的Gerstner模型,生成了一个网格波动的几何表面和一个法线扰动的纹理表面。并通过立方体环境映射将它们融合为一体,再现海天一体化的场景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 硬件技术
• 1.2.2 软件技术
• 1.3 课题研究意义及应用领域
• 1.4 国内外主要研究方向
• 1.5 主要研究工作
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 结构安排
• 1.6 本章小结
• 2 水波模拟技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 概念和术语
• 2.3 水波建模研究现状
• 2.3.1 基于几何的建模
• 2.3.2 基于动力模型的建模
• 2.3.3 基于物理的建模
• 2.3.4 基于海浪谱的建模
• 2.3.5 建模方法综合分析
• 2.4 水面生成的关键技术
• 2.4.1 环境映射技术
• 2.4.2 凹凸映射技术
• 2.4.3 光照计算
• 2.5 论文的算法基础
• 2.5.1 问题提出
• 2.5.2 本文算法基础
• 2.6 本章小结
• 3 系统开发平台简介
• 3.1 引言
• 3.2 图形处理器概述
• 3.2.1 图形处理器的特点
• 3.2.2 图形处理器的发展
• 3.3 图形处理的流水线结构
• 3.4 GPU实时渲染编程
• 3.4.1 高端着色语言
• 3.4.2 顶点着色器
• 3.4.3 像素着色器
• 3.5 DirectX技术
• 3.6 3D Studio Max简介
• 3.7 本章小结
• 4 算法设计与实现
• 4.1 引言
• 4.2 Gerstner模型的发展
• 4.3 Gerstner模型的改进
• 4.3.1 Gerstner模型的不足
• 4.3.2 采用的改进方法
• 4.4 波动效果的建立
• 4.4.1 切线空间建立
• 4.4.2 几何表面细节
• 4.5 扰动效果的建立
• 4.5.1 法向量的求取
• 4.5.2 纹理表面细节
• 4.6 系统模块设计
• 4.6.1 用户控制模块
• 4.6.2 组成波模块
• 4.6.3 网格生成模块
• 4.7 本章小结
• 5 实验结果
• 5.1 引言
• 5.2 实验结果
• 5.3 实验分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结及展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间已发表的学位论文