隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展,使得人們?cè)诖笠?guī)模的實(shí)時(shí)虛擬海洋環(huán)境下漫游成為可能。虛擬海洋場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究中既是熱點(diǎn)又是難點(diǎn)。它在海洋勘測(cè)、災(zāi)害救援、主機(jī)游戲、影視特效等方面起著重要的作用。隨著人類對(duì)海下資源的開發(fā)和利用,海下自然場(chǎng)景的仿真具有了重要的實(shí)際意義。為實(shí)現(xiàn)更為逼真的海底場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制研究,本文主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行算法研究,分別是真實(shí)感海洋建模、海下光學(xué)效果、虛擬海底場(chǎng)景漫游及交互。首先,在真實(shí)感海洋場(chǎng)景搭建過程中,采用基于LOD技術(shù)的投影網(wǎng)格進(jìn)行建模,解決海洋表面和島嶼地形范圍廣的問題,采用基于統(tǒng)一的海洋學(xué)統(tǒng)計(jì)模型的長短波譜結(jié)合快速逆傅里葉變換實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的大規(guī)模海面起伏效果;采用Shuriken粒子系統(tǒng)方法解決多種形態(tài)海底氣泡的實(shí)時(shí)模擬問題。其次,在海下光學(xué)效果的模擬過程中,提出一種改進(jìn)的光線追蹤算法結(jié)合透光比計(jì)算解決了海下體積光的繪制問題。針對(duì)陰影和焦散效果的繪制問題,采用陰影映射和紋理映射技術(shù)繪制實(shí)時(shí)陰影和焦散效果。為了加快光照算法的計(jì)算,選用線性八叉樹加快光線與節(jié)點(diǎn)碰撞檢測(cè)速度,從而使得光照模型可以實(shí)時(shí)計(jì)算。然后,在虛擬海底場(chǎng)景漫游及交互研究中,本文創(chuàng)新性的采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)虛擬海底場(chǎng)景漫游及交互。在虛擬海底漫游研究中,采用虛擬定位技術(shù)結(jié)合Steam Plugin組件實(shí)現(xiàn)真實(shí)感海底漫游效果。利用碰撞檢測(cè)算法結(jié)合控制手柄上的可編程按鈕通過編程實(shí)現(xiàn)虛擬海底交互。在魚群運(yùn)動(dòng)的研究中采用在魚群空間內(nèi)設(shè)置隨機(jī)目標(biāo)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)魚群的隨機(jī)游動(dòng),為魚群中的魚添加剛體組件,解決魚類之間的碰撞產(chǎn)生的材質(zhì)穿透問題。利用在頂點(diǎn)片元著色器中計(jì)算植物的偏移位置,實(shí)現(xiàn)海底植物的運(yùn)動(dòng)問題。最后,通過Unity3D游戲開發(fā)平臺(tái)結(jié)合UnityShaderLab著色器語言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多要素海底場(chǎng)景虛擬漫游與交互系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)中所有效果均為實(shí)時(shí)渲染。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法能夠?qū)崟r(shí)高效的模擬多要素虛擬海底場(chǎng)景,真實(shí)感強(qiáng)且具有很高的實(shí)時(shí)性。
【學(xué)位單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP391.9;P229
【部分圖文】：

對(duì)氣泡進(jìn)行受力分析，如圖2-4 所示。圖 2-4 海底氣泡受力分析圖bF 為氣泡的浮力，gF 氣泡的重力，dF 為水的阻力，pF 為水流運(yùn)動(dòng)對(duì)氣泡的壓力(這個(gè)壓力可以是任意方向)，我們假設(shè)這個(gè)壓力為 0。氣泡的i1t 時(shí)刻的速度可計(jì)算如式(2-10)，(2-11)，(2-11)所示。a bFg d F F F(2-10)a bF m a(2-11)

物體的表面像素點(diǎn)渲染到屏幕之上，如圖 3-2 所示。本文則是采用求解亮度值積分的方法渲染射線經(jīng)過的路徑上的每個(gè)點(diǎn)。圖3-2 光線追蹤原理圖3.1.1 亮度值積分求解海水內(nèi)部每個(gè)采樣點(diǎn)的亮度值。從視點(diǎn)開始，對(duì)每個(gè)從射線經(jīng)過的采樣點(diǎn)上的亮度值進(jìn)行求和計(jì)算，從而獲得像素的顏色。由于光的特性是傳播按距離增加而衰減，光的亮度和離光源的距離成平方反比。因此可以得到一個(gè)基本的衰減公式如式(3-1)所示。2Iid (3-1)

采樣點(diǎn)處的亮度值，通過對(duì)所有采樣點(diǎn)的亮度值進(jìn)行求和獲得所有采樣點(diǎn)的亮度值。如圖 3-3 所示。圖3-3 采樣點(diǎn)亮度值求和S 為光源位置， C 為攝像機(jī)(視點(diǎn))位置， O 為物體位置，1t 、2t 、3t 、4t 分別為四處采樣點(diǎn)，此處設(shè)函數(shù)L (t )為采樣點(diǎn)t 處亮度值，函數(shù)x (t )為視線的積分曲線�？傻霉饺缡�(3-2)所示。( ) *c dx t r t r(3-2)其中cr 為視線起點(diǎn)，dr 為視線方向，將函數(shù) x (t )代入 L (t )中得到如式(3-3)所示。 2( )( )IL tx t s (3-3)其中S 為光源位置
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本文編號(hào)：2843044