GPU加速的海洋战场环境视景仿真研究

论文摘要

虚拟现实技术可以为海军战斗人员提供经济、安全、可靠的训练环境。虚拟环境的仿真效果是关系到训练质量的重要因素,建立逼真的海洋战场环境的关键是构建高仿真效果动态海面和战场特效。计算机运行速度的提高以及可编程图形硬件(GPU)发展使得海战场的仿真取得了重大进展。本文研究了GPU加速的虚拟海洋战场环境的建模和实时绘制关键技术,论文的主要内容如下:本文介绍了GPU的概念和可编程图形硬件语言Cg,阐述了顶点渲染(Vertex Shader)和像素渲染(Pixel Shader)的运行过程。在对海面特点进行研究的基础上,采用基于噪声分形面的海面建模与实时绘制算法。首先建立了大范围海面网格LOD模型,采用“连接模板”来实现不同分辨率块之间的平滑连接。引入不同频率的Perlin噪声来叠加生成噪声分形面,作为海面高度场的激励源,通过噪声分形面来模拟海面,得到不同时刻的分形序列,从而模拟连续动态变化的海面。在绘制海面光照时,实现了海面法向量计算,采用立体纹理映射技术来模拟海水周围的天空背景,通过动态纹理映射产生太阳光局部反射效果。实验表明,该算法能实时生成仿真度很高的海面。本文对海战实体建模与战场特效仿真进行了研究。在分析各种3D实体模型的建模方法与存储方式后,采用实体模型导入的方法进行建模。海战战斗特效是海战视景仿真的重要组成部分,研究舰艇尾迹、武器火焰以及爆炸等战场特效的绘制方法,并进行了实现,这些都大大增加了场景的逼真度与真实感。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 虚拟现实与虚拟战场的发展
• 1.2.1 虚拟现实与仿真技术简介
• 1.2.2 国外虚拟战场的发展
• 1.2.3 我国虚拟战场的发展
• 1.3 课题的目标和意义
• 1.4 本文研究的内容
• 1.5 本文的章节安排
• 2 GPU 和CG
• 2.1 GPU 和可编程渲染管线
• 2.1.1 GPU 发展
• 2.1.2 GPU 的特点
• 2.1.3 GPU 的图形处理流水线结构
• 2.1.4 Vertex Shader
• 2.1.5 Pixel Shader
• 2.2 CG 语言介绍
• 3 海面的生成与渲染
• 3.1 概述
• 3.2 海面LOD 算法
• 3.2.1 LOD 技术的提出
• 3.2.2 LOD 技术概述
• 3.2.3 LOD 模型的实现方法
• 3.2.4 LOD 模型生成算法
• 3.2.5 海面LOD 模型的建立
• 3.2.6 海面的网格的连接
• 3.3 海面的建模
• 3.3.1 噪声函数的构建
• 3.3.2 连续海面的生成
• 3.3.3 动态海面的构建
• 3.3.4 法向量的计算
• 3.4 海洋岛屿的建模与渲染
• 3.4.1 岛屿模型的建立
• 3.4.2 岛屿的渲染
• 3.5 海面实时光照计算
• 3.5.1 天空的建立和反射效果
• 3.5.2 太阳光的反射效果
• 3.6 试验效果分析
• 3.7 本章小结
• 4 虚拟海洋战场环境的生成
• 4.1 战斗实体模型的创建
• 4.2 粒子系统建模概述
• 4.2.1 现实的需求
• 4.2.2 粒子系统简介
• 4.3 舰船尾迹的实现
• 4.3.1 舰船尾迹的建模
• 4.3.2 舰船尾迹的生成
• 4.4 战场特效的实现
• 4.4.1 武器火焰效果的仿真
• 4.4.2 爆炸效果的仿真
• 4.5 战场音效的实现
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 技术展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢