基于GPU实时的大范围海水模拟

为了模拟出具有实时性和真实感的大范围海水场景,提出了一种绘制的方法,该方法使用了存在于投影空间的海面网格模型。同时,为了使海浪模拟的真实感更强,也未采用以往基于Perlin噪音的产生海浪高度图的方法,而是采用了更复杂的基于统计模型与快速傅立叶变换(FFT)的波浪生成方法。其次通过立方体纹理实现了海水对天空盒的反射效果,并运用Phone光照模型实现了海浪的反射。此外充分地利用了GPU硬件的特性和ping pong绘制技巧。实验证明该方法能快速模拟出实时、逼真的海水的场景。     

大规模海浪场景的真实感绘制

针对计算机图形学中大规模海浪场景绘制的难题,提出一种实时绘制高真实感海浪的方法.首先提出同心圆网格模型来模拟海浪表面;然后利用基于GPU的快速傅里叶变换方法生成海浪高度图,并模拟了Choppy波,减轻了磁砖效应.分别采用立方体纹理映射、平面反射及Phong镜面反射技术模拟海面对天空、景物、太阳的反射效果,并在海面的折射效果中考虑了海水深度的影响.最后模拟了海浪中的泡沫以及景物在海面上的阴影效果.该方法已成功地应用在航海模拟器中.     

动态天空环境下的实时海洋渲染

提出一种用于对完整海洋环境模型进行实时渲染的方法,包括天空球、大气系统和海浪模型.天空球采用纹理扰动的方法实现了云层飘动;大气系统考虑了大气的散射和吸收效应;海浪模型采用简单的正弦波构造海浪表面网格,并利用bump map法向扰动方法实现了海浪表面的凸凹效果,海浪的光照计算是通过对天空球采样得到入射光,再根据镜面反射得到反射光.最后给出了通过GPU硬件加速的实现实例以及在海战模拟中的实际应用.实例表明:该算法实现简单、绘制效率高,具有较高的真实感.     

考虑空气热交换的凝结现象真实感仿真

自然现象的真实感仿真在虚拟现实、影视特效、仿真训练等领域有着广泛的应用.凝结是一种常见的热交换现象,针对传统方法基于几何对于空气的描述模型不够准确,无法恢复细节,也未考虑凝结中动态相变的特点的问题,提出使用光滑粒子流体动力学,基于物理模型进行空气热交换现象的真实感仿真方法.首先基于光滑粒子流体力学模型进行空气和参与热交换物体的离散化;然后使用粒子筛选机制和优化的边界处理方法完善了粒子热交换的机制;最后引入大气压摩擦力和湿度扩散模型,逼真地描述动态的凝结相变过程.实验结果表明,该方法可以真实、高效地反映真实感的现象,绘制速度也较快.     

雨雾天气下光线散射效果的实时绘制

提出一种适用于雨雾天气的天空光照的多粒子散射模型,实现了雨雾场景中大气散射效果及雨后彩虹的真实感绘制.同时,通过对传统点光源单散射模型公式的解析简化,实现了各向异性光源散射效果的实时绘制.最终实时绘制出多种不同条件下真实感较强的雨雾场景.     

基于球面的海浪建模与绘制技术研究

由于传统的海浪建模与绘制方法多是基于平面进行建模与绘制,较少细致考虑球面曲率对海浪建模和绘制的影响,因此无法在球形表面绘制出海浪在不同条件下形状、色泽等的变化。为了实现无界海洋的虚拟自由漫游,提出了一种考虑球面影响的、任意视点下的海浪建模与绘制方法,其核心是球面海洋模型和屏幕细分的自适应算法,同时基于海洋学知识以及解析几何和数字地球特点,首先解决和消除了模型生成中存在的计算量大和高纬度“压缩现象”等问题,并建立了球面海浪模型;然后,依靠可逐点计算的海浪生成模型,利用屏幕细分自适应算法将计算限制在与视点相关的可视球面海洋区域,并使几何分辨率依视点变化;接着采用“夹球”技术,解决了海面生成中存在的“边缘裂缝”现象;最后,采用GPU技术绘制出不同观察距离和方向下的真实感海浪场景,进而实现了用户在无界海洋上的自由漫游。     

基于Navarro示意眼模型的视觉真实感绘制*

结合人眼光学建模和计算机图形学的真实感绘制技术,提出一种基于Navarro示意眼模型的人眼视觉真实感绘制方法.利用Navarro模型与传统的单透镜模型相比能够更精确地模拟人眼的特性,将Navarro模型引入视觉真实感绘制中;采用光线追踪方法,加入非球面折射面的计算,精确地模拟人眼的成像特性.实验结果表明此种方法能够更精...     

多相流灾害场景的真实感建模与绘制

自然灾害场景的真实感建模与绘制在防灾救灾、影视特技制作及数字娱乐等方面有着广泛的应用.提出一种新的基于物理的多相流模型来模拟洪水、泥石流、山体滑坡等一系列自然灾害景象.基于各种灾害现象的成因建立不同阶段的流体行进模型,并通过改进传统的平滑粒子流体动力学方法,成功地实现了固液两相之间的相互作用,建立了新的多相流运动模型;通过调节模型中的固相体积比及其他特征参数,可绘制出洪水、泥石流和山体滑坡等不同灾害场景的动态过程,并生动地展示灾害性多相流摧毁建筑物的过程.     

大规模雪场景的实时绘制

大规模雪场景的真实感实时绘制在虚拟现实、雪灾的预防和救援、军事仿真及游戏设计等领域有着广泛的应用价值,但现有方法难以同时生成大规模动态雪场景的积雪及飘雪效果.为此提出并实现了一种交互式大规模雪场景建模与实时绘制的新方法.为了精细地模拟场景的积雪效果,提出一种基于视点的自适应降雪遮挡图模型,能在实时更新地物的遮挡关系的同时大大减少大规模雪场景中积雪的计算量,并提高了计算精度;对于场景的飘雪,采用一种基于视点的雪粒子分层建模技术来减少雪粒子数量,将视点变换及降雪粒子系统移至GPU中进行加速计算;采用动态多旋转纹理来模拟飘落雪花的形状以增加其真实感;采用几何与纹理混合绘制的方式来减少大场景的复杂度.最终成功地实现了野外和城市两个大规模雪场景的实时漫游,在场景中可看到压雪累累的树枝雪挂景象及轿车上厚厚积雪等冬天美景.     

基于纹理映射和粒子系统的三维喷泉实时模拟

将纹理映射和粒子系统理论相结合,给出一种基于粒子系统的喷泉系统模型,同时分析模型中粒子的属性及其变化,加入风力和阻力等粒子属性,绘制三维喷泉系统,实现粒子在复杂受力情况下的实时动态模拟.实验结果表明,该方法不仅有效地保证了图像的真实感,而且提高了系统的灵活性和实时性.     

High Order Accurate Finite Difference Modeling of Seismo-Acoustic Wave Propagation in a Moving Atmosphere and a Heterogeneous Earth Model Coupled Across a Realistic Topography

We develop a numerical method for simultaneously simulating acoustic waves in a realistic moving atmosphere and seismic waves in a heterogeneous earth model, where the motions are coupled across a realistic topography. We model acoustic wave propagation by solving the linearized Euler equations of compressible fluid mechanics. The seismic waves are modeled by the elastic wave equation in a heterogeneous anisotropic material. The motion is coupled by imposing continuity of normal velocity and normal stresses across the topographic interface. Realistic topography is resolved on a curvilinear grid that follows the interface. The governing equations are discretized using high order accurate finite difference methods that satisfy the principle of summation by parts. We apply the energy method to derive the discrete interface conditions and to show that the coupled discretization is stable. The implementation is verified by numerical experiments, and we demonstrate a simulation of coupled wave propagation in a windy atmosphere and a realistic earth model with non-planar topography.     

A radar ocean imaging model for small to moderate incidence angles

Based on a first-principles scattering theory applicable to small to moderate incidence angles, a new imaging model for ocean features is proposed. In contrast to the Alpers and Hennings Bragg-based model, the new model incorporates the full ocean wave spectrum, utilizes Hughes' suggested spectral decay rate formula and contains no adjustable parameters. For typical ocean currents, the new model predicts realistic values for L-band cross section modulations and comparable L-band and X-band cross section modulations. These latter results are shown to be due to backscatter from ocean waves that are significantly longer than the Bragg resonant wave. By comparison the Bragg-based imaging model is shown to predict that X-band modulations will be at least one order of magnitude weaker than L-band modulations.     

基于海浪谱的Gerstner波浪模拟

本文从海洋学现有的观测和研究成果出发，结合海浪的Gerstner模型，提出一种风力作用下的基于海浪谱的三维Gerstner海浪模型。首先，通过分析Gerstner模型各个参数的随机性，利用海浪谱和方向谱相关公式，获得固定风速下模型各随机参数值，建立固定风速下的海浪模型；然后，在此基础上进一步构造了基于海浪谱的风力模型，模拟了风力作用下的海浪；最后，采用基于视点的网格拓扑结构，实现了海浪的实时绘制。实验结果表明，该模型不仅能更真实地模拟海浪，还具有较好的交互性。     

虚拟海洋场景的实时模拟研究与实现

为了提高虚拟海洋场景的实时性和真实感,提出了用多重Perlin噪声的叠加和波浪粒子相结合的方法建立实时海洋动画系统.该系统采用Perlin噪声和投影网格绘制技术模拟海面几何形态;并采用Perlin噪声和波浪粒子来跟踪水波的运动,从而快速、简便地实现了水上物体运动产生的水波特效;在光影效果上加入纹理技术建立光照模型,生成了复杂的、真实感强的海洋场景.仿真实验结果表明,该方法适用于大多数流体的模拟,渲染的海洋场景具有很好的真实感和时效性.     

卷浪的真实感建模与绘制

巨浪的真实感绘制是计算机图形学的热点和难点之一。从浪的物理特性出发,绘制出较逼真的大规模实时卷浪场景。将卷浪的模拟分成基本波面和卷曲波面模拟。首先基于三维Gerstner海浪模型,加入Perlin噪音扰动来构建海浪的基本造型;然后采用基于物理的NURBS卷浪曲面生成算法,构建3D卷浪曲面库;随后动态搜索波面波峰,用卷浪曲面取代海面波峰,将卷浪曲面与初始波面无缝拼接;考虑不同风速与浪的交互作用,并采用相关真实感绘制技术,最后实现了不同情况下的大规模卷浪场景。     

滴水涟漪的计算机动画模拟

模拟了近距离观察滴水涟漪的,用有限体积法求解二维的浅水波方程,在水表面受到扰动后自动产生波纹,为了增加真实感,加入了粒子系统,但与以往工作不同的是粒子被进一步分类成水滴、水柱、水粒和水泡。详细讨论了隐式曲面技术给这些液态物体造型,以便逼真地表现出这些液态物体的多变性。     

船舶海浪中非线性随机运动的可视化技术

研究船舶海浪中运动的可视化技术.通过采用船舶在海浪中运动的可视化技术,可以使船舶设计人员能够更直观地了解船舶的运动性能.采用具有平台独立性的OpenGL图形库对船舶在波浪中运动的可视化进行描述,讨论了建立船舶模型的可行方法和如何建立三维波浪的数学模型.考虑随机波浪及船舶的非线性阻尼、非线性恢复力矩,建立船舶横摇运动的非线性微分方程.采用Runge-Kutta方法求解非线性微分方程,根据数值模拟结果,应用OpenGL中的函数来生成船舶在海浪中运动的动画.所开发的程序模拟的船舶和波浪是三维的,可以对不同有义波高的波浪和不同船舶的运动进行模拟.     

A Discontinuous Galerkin Coupled Wave Propagation/Circulation Model

On large geographic scales, ocean waves are represented in a spectral sense via the action balance equation, which propagates action density through both geographic and spectral space. In this paper, a new computational spectral wave model is developed by using discontinuous Galerkin (DG) methods in both geographic and spectral space. DG methods allow for the use of unstructured geographic meshes and higher-order approximations for action propagation in both geographic and spectral space, which we show leads to increased accuracy. This DG spectral wave propagation model is verified and validated through comparisons to manufactured and analytic solutions as well as to the Simulating WAves Nearshore (SWAN) model. Coupled wave/circulation models are needed for many applications including for the interaction between waves and currents during daily wind and tide driven flows. We loosely couple the new DG spectral wave model to the DG Shallow Water Equation Model (DG-SWEM), an existing DG circulation model. In addition to formulating the DG method for the coupled wave/circulation model, we derive an a priori error estimate. Preliminary numerical results of the DG coupled wave/circulation model are presented with comparisons to DG-SWEM coupled tightly to SWAN.     

基于FFT的海浪实时仿真方法

针对虚拟海战场仿真需求,提出一种真实感海浪的实时仿真方法。在改进Gerstner波形的基础上,构建海浪的基本模型,推导出海浪的离散FFT模型,并通过采样波数谱提取FFT模型所需参数。仿真结果表明,该方法用于大面积海浪的实时仿真时,能获得高度逼真的动画效果。     

基于随机数的光照海浪场景模拟

海浪场景的建模是数字海洋的重要组成部分。本文用随机数模拟海浪,海浪的位置大小和波动都是随机的,海浪在涌向岸边的过程中随机生成新的海浪。海面反射光用Phong光照模型模拟,求出关键点得到太阳在海面的映像。该模型生成的实时3D大尺寸光照海浪模型在运动中不会重复,适合海面的数字化再现和海洋要素的仿真。