海洋虛擬場景構(gòu)造及動態(tài)光影渲染關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、伴隨著“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略決策的提出以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展,越來越多的海洋科學(xué)研究人員將先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在海洋上,改變了人們觀察和認(rèn)識海洋的方式,因此海洋虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域隨之興起并逐漸受到廣泛關(guān)注。在該領(lǐng)域,科研工作者的主要工作之一就是最大限度的模擬真實(shí)的海洋環(huán)境,增強(qiáng)用戶的感官感受。因此如何利用現(xiàn)有的海洋虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)快速構(gòu)造具有真實(shí)感、沉浸感、交互感的海洋虛擬場景,是海洋虛擬仿真研究的基礎(chǔ)。為了能夠最大限度的模擬海洋虛擬場景,必須要

2、重點(diǎn)考慮提升場景真實(shí)感要素,而水體光學(xué)特效渲染就是非常重要的組成部分。在太陽照射下,整個海洋場景不同時刻會呈現(xiàn)不同的光影效果,隨水面波動的海上光影以及海底光束等現(xiàn)象就是光線在海洋領(lǐng)域的最直觀表現(xiàn)。而目前同時研究海上及海下光學(xué)效果的少之又少,所以本論文的研究成果具有很大的應(yīng)用價值。
　　本文針對海洋虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域亟需解決的這兩個問題,在中國海洋大學(xué)自主研發(fā)的海洋虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化平臺(i4Ocean)基礎(chǔ)上,首先設(shè)計出能夠?qū)⒑Ｑ笕S模型

3、數(shù)據(jù)、海洋特效數(shù)據(jù)、海洋可視化數(shù)據(jù)預(yù)處理后,統(tǒng)一加載,并進(jìn)行交互編輯,迅速構(gòu)建場景的海洋虛擬場景構(gòu)造器工具。同時提出適用于海陸的動態(tài)光影繪制方法,實(shí)現(xiàn)海上光影渲染,海下光束動態(tài)繪制,利用場景構(gòu)造器實(shí)現(xiàn)光影效果的的實(shí)時交互。論文的主要工作及取得的研究成果如下:
　　1)海洋虛擬現(xiàn)實(shí)場景構(gòu)造器(VR-Bulider)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
　　設(shè)計一個適用于海洋虛擬現(xiàn)實(shí)和可視化數(shù)據(jù)編輯的場景構(gòu)造器工具。該工具提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互操作接口,支持

4、 i4Ocean平臺自定義數(shù)據(jù)格式和通用的 FBX模型數(shù)據(jù)格式,對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;依托 MVAE渲染引擎架構(gòu),支持海洋數(shù)據(jù)的仿射變換以及特殊屬性編輯,快速搭建海洋虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。該工具便捷的實(shí)現(xiàn)了三維建模人員、軟件開發(fā)人員以及用戶的良好銜接,同時為 i4Ocean基礎(chǔ)平臺的場景編輯做出了貢獻(xiàn)。
　　2)海上場景光影渲染技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)
　　在已搭建好的海洋虛擬場景基礎(chǔ)上,提出一種基于 GPU的適用于海陸場景的動態(tài)光影渲染方法,并

5、利用場景構(gòu)造器實(shí)現(xiàn)光影的實(shí)時交互。主要基于 GPU采用可編程的繪制流水線,利用較成熟的光照模型原理、陰影算法,綜合考慮水面動態(tài)變化規(guī)律,進(jìn)而動態(tài)渲染海面光影效果;通過 VR-Builder及交互操作工具實(shí)現(xiàn)交互式光影設(shè)置,觀察不同時刻、不同光源類型下的光影真實(shí)感繪制效果。該成果彌補(bǔ)了現(xiàn)有海洋虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域光影技術(shù)結(jié)合不緊密的弊端。
　　3)海下光束渲染技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)
　　針對海洋流體的動態(tài)特征,研究海下最重要的光學(xué)現(xiàn)象之一,即

6、海底光束。首先對海下光束進(jìn)行建模,根據(jù)水面網(wǎng)格運(yùn)動規(guī)律,渲染光束體;結(jié)合折射、散射、光強(qiáng)變化等物理模型,運(yùn)用 GPU并行能力快速計算光強(qiáng)值,進(jìn)行顏色融合,最終完成海下動態(tài)光束的繪制。
　　本文進(jìn)行的海洋虛擬場景構(gòu)造及動態(tài)光影渲染關(guān)鍵技術(shù)的研究,為自主研發(fā)的 i4Ocean平臺提供了場景交互編輯工具,實(shí)現(xiàn)了海面場景的光影渲染以及海下光束繪制。研究成果為海洋工程建設(shè)、海洋資源開發(fā)瀕海(湖)城市規(guī)劃等行業(yè)提供可視化服務(wù),同時支持虛擬海洋