（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng),712000）

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中水體繪制技術(shù)的研究與應(yīng)用

喬國(guó)娜

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng),712000）

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，水體的模擬是非常重要的部分。本文通過(guò)對(duì)水體特點(diǎn)進(jìn)行剖析，比較、借鑒總結(jié)大量國(guó)內(nèi)外研究成果及文獻(xiàn)，深入地分析和研究了不同場(chǎng)景中的水體實(shí)時(shí)模擬繪制方法，提出了具有較高繪制效率和視覺(jué)效果的能夠在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的不同水體模型的繪制方法。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；水體繪制； 紋理映射； 光照模型

0 前言

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面，其中一個(gè)重要的研究課題就是對(duì)自然景物的模擬。在自然景物的模擬中，水的模擬是比較重要的一部分，因?yàn)槿鄙偎哪M將會(huì)顯著地影響自然場(chǎng)景的真實(shí)感和協(xié)調(diào)性。要繪制出真實(shí)感強(qiáng)、具有實(shí)時(shí)交互功能的水體場(chǎng)景并不容易，原因是水具其特殊性。首先是水是動(dòng)態(tài)的，是各種力的疊加的效果，運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較復(fù)雜且運(yùn)動(dòng)規(guī)律不重復(fù)；水是透明的，與周?chē)h(huán)境相互影響，色彩屬性及光學(xué)屬性很難模擬，水體的模擬和繪制速率很難平衡，水體模擬要真實(shí)，需要使用更加復(fù)雜的水體模型，而這些趨于真實(shí)效果的水體模型的模擬計(jì)算量非常巨大，在普通的PC機(jī)上很難實(shí)時(shí)繪制出來(lái)，要提高繪制速度，必須要簡(jiǎn)化模型，減少計(jì)算量。實(shí)時(shí)水體繪制技術(shù)，往往涉及到物理學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、海洋學(xué)和氣候?qū)W等多門(mén)學(xué)科交叉，使得水體模擬更加復(fù)雜。本文通過(guò)對(duì)水體模擬的大量國(guó)內(nèi)外研究成果進(jìn)行比較、借鑒總結(jié)，對(duì)不同場(chǎng)景中的水體實(shí)時(shí)模擬繪制方法進(jìn)行了深入地分析和研究，提出了一種具有較高繪制效率和視覺(jué)效果的能夠在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的水體場(chǎng)景的繪制方法。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本特征分別是：交互性，指網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)針對(duì)虛擬環(huán)境中的物體可操作程度的反饋；沉浸感，又被稱(chēng)為臨場(chǎng)感，指網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)在模擬的環(huán)境中感覺(jué)自己是主角；構(gòu)想性，指網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)在多維的信息空間中，憑借自己的認(rèn)知能力來(lái)全方位地獲取知識(shí)，充分發(fā)揮出主觀能動(dòng)性。

正是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的這三個(gè)基本特征，給了真實(shí)場(chǎng)景在虛擬網(wǎng)絡(luò)中的再現(xiàn)提供了可操作性的手段和更為廣闊的想象空間，同時(shí)也在一些自然景觀的仿真中具有很好的實(shí)用價(jià)值。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)又分為桌面式、沉浸式、疊加式和分布式虛擬系統(tǒng)。文本采用基于桌面式虛擬系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行水體繪制方面的研究。

2 水體繪制的常用技術(shù)

對(duì)水面的模擬分為主要考慮水的運(yùn)動(dòng)對(duì)水面的影響。主要分為實(shí)時(shí)性和非實(shí)時(shí)性。非實(shí)時(shí)性的水體模擬在一些商業(yè)軟件中應(yīng)用比較多。例如3DMax中的glu3D；Maya里面的Fluid Effects插件，是目前PC機(jī)上應(yīng)用最多、模擬效果較好的流體力學(xué)模擬軟件。但是這些模擬軟件實(shí)現(xiàn)的都是離線(xiàn)、非實(shí)時(shí)性水面模擬效果。而實(shí)時(shí)性的水體模擬技術(shù)主要有以下五種。

2.1基于高度圖的水體模擬

基于高度圖的水體模擬是建立起高度圖像素灰度值與水面網(wǎng)格頂點(diǎn)高度值的聯(lián)系，水面的高低起伏用紋理像素高度值控制。其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，能夠很好解決模擬隨機(jī)的水面波動(dòng)。缺點(diǎn)是在波的傳播方向和速度特性方面模擬真實(shí)度不足，在觀察距離較近時(shí)容易發(fā)現(xiàn)波浪呈現(xiàn)靜止的狀態(tài)，所以對(duì)于要求真實(shí)感要求較高的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中不適合應(yīng)用此種方法來(lái)模擬水體。

2.2基于物理方法的水體模擬

基于物理方法的水體模擬是從真實(shí)的物理現(xiàn)象出發(fā)，將計(jì)算數(shù)學(xué)與圖形學(xué)進(jìn)行綜合運(yùn)用，用物理模型來(lái)模擬水面的流動(dòng)效果。其技術(shù)關(guān)鍵在于推導(dǎo)出流體控制方程，主要是利用N-S 方程及方程組和淺水波方程。優(yōu)點(diǎn)是能夠真實(shí)地模擬水面波動(dòng)效果，缺點(diǎn)是方程求解的過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算量大。不適合在虛擬現(xiàn)實(shí)模擬和游戲開(kāi)發(fā)中進(jìn)行應(yīng)用。在目前計(jì)算機(jī)軟硬件水平都有很大提高的情況下，一些實(shí)驗(yàn)室里物理的流體模擬研究和應(yīng)用還是比較廣泛。

2.3基于粒子系統(tǒng)方法的水體模擬

粒子系統(tǒng)是利用大量、形狀簡(jiǎn)單的，具有一定生命周期的微小粒子作為基本元素，通過(guò)設(shè)置特定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相關(guān)屬性，產(chǎn)生一系列的動(dòng)畫(huà)來(lái)模擬形狀不規(guī)則的模糊的物體。能夠較好地模擬大自然如爆炸、火焰、煙塵、雪花、細(xì)雨、水流、噴泉、瀑布等物體。用來(lái)制作噴泉、流水等小面積動(dòng)態(tài)落水效果使用該種方法比較好，但是在大面積水面的模擬中需要控制每一滴水的運(yùn)動(dòng)效果，并且組成整個(gè)水面，形成水面波動(dòng)的效果，將非常不現(xiàn)實(shí)。計(jì)算量非常高，不適合在PC機(jī)上進(jìn)行水面實(shí)時(shí)模擬。

2.4基于譜分析方法的水體模擬

基于譜分析方法的水體模擬的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)就是找出適合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的譜，如 依據(jù)世界不同水域的觀測(cè)資料得到的數(shù)據(jù)形成Pierson-Moskowitz 譜、JONSWAP 譜、B-M譜和 Wallops 譜等。FFT是目前應(yīng)用最廣泛的方法，其核心思想是依據(jù)針對(duì)真實(shí)海浪譜的數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)出適合的高度場(chǎng)來(lái)模擬水面。應(yīng)用 FFT模擬的水面效果可以達(dá)到很高的逼真度，但是譜分析的計(jì)算量非常大，不適合在PC機(jī)上進(jìn)行水面實(shí)時(shí)模擬。

2.5基于波形分析的水面模擬

基于波形分析的水面模擬是通過(guò)利用構(gòu)造波形函數(shù)構(gòu)造參數(shù)曲面來(lái)模擬水面。由于波形函數(shù)具有波的特點(diǎn)，可以用來(lái)模擬水面波動(dòng)效果。目前常采用的構(gòu)造波形函數(shù)有正弦函數(shù)、Gerstner波函數(shù)、環(huán)形波等。優(yōu)點(diǎn)是能滿(mǎn)足視覺(jué)上逼真的效果，缺點(diǎn)是很難反映水流真實(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3 水體繪制技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

近年來(lái)，GPU計(jì)算能力和編程語(yǔ)言表達(dá)能力得到了很大程度地提升，而且也逐步PC機(jī)上得到了普及。詳細(xì)描述技術(shù)在本文中采用模擬水體的影響程度。遠(yuǎn)程觀測(cè)，模擬水流模型紋理映射的額外的動(dòng)態(tài)幾何模型，觀點(diǎn)、用物理方法、水的表面真實(shí)動(dòng)態(tài)波紋、反射、光的折射效果，最終實(shí)現(xiàn)真實(shí)感較強(qiáng)的水面效果。

3.1遠(yuǎn)景水體模擬

遠(yuǎn)景水體因?yàn)榫嚯x較遠(yuǎn)，所以并強(qiáng)調(diào)波動(dòng)效果的真實(shí)性。具體做法是創(chuàng)建幾何體模型后，添加動(dòng)態(tài)紋理效果生成波動(dòng)效果。動(dòng)態(tài)紋理是指紋理圖像自身是變化的或者在不同時(shí)刻賦予模型的紋理坐標(biāo)，當(dāng)這種變化為連續(xù)時(shí)，就形成了動(dòng)畫(huà)的效果。其一，采用加載在幾何模型上動(dòng)態(tài)紋理圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水面波動(dòng)紋理。該方法原理很簡(jiǎn)單，主要利用人眼視覺(jué)駐留性質(zhì)，當(dāng)一系列不連續(xù)圖像之間切換速度小于1/24秒時(shí)，人就會(huì)形成連續(xù)地動(dòng)態(tài)效果。這種動(dòng)態(tài)紋理圖像可以用二維動(dòng)畫(huà)軟件或三維動(dòng)畫(huà)軟件制作并預(yù)先渲染出動(dòng)畫(huà)序列文件，也可以是從自然界中拍攝真實(shí)水面的視頻圖像，展示水面波光粼粼的效果，此方法適用于大面積水域的動(dòng)態(tài)模擬。其二，首先創(chuàng)建水面材質(zhì)，該材質(zhì)采用不同時(shí)刻賦予不同坐標(biāo)的方法來(lái)創(chuàng)建，通過(guò)給該材質(zhì)使用水波紋理貼圖，并使紋理坐標(biāo)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化。最后將其賦值給幾何水面模型。

3.2近景水體模擬

水面模擬最簡(jiǎn)單的方法是建立網(wǎng)格水面模型，通過(guò)正弦波構(gòu)造水面波形函數(shù)對(duì)網(wǎng)格對(duì)象加以擾動(dòng)。如果是面積較小的湖、池等水面，利用多個(gè)正弦波疊加的方式來(lái)進(jìn)行模擬，特點(diǎn)是表現(xiàn)波形較光滑。如果是模擬海面效果，就需要突出表現(xiàn)波谷比較平靜，波峰很尖銳的的效果，一般采用Gerstner 波來(lái)進(jìn)行模擬海面水體波動(dòng)效果。

3.3凹凸環(huán)境映射

對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)、波動(dòng)的幾何水體表面，具有互相影響的復(fù)雜法線(xiàn)圖，還需要通過(guò)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)陌纪弓h(huán)境映射參數(shù)進(jìn)行互相聯(lián)系來(lái)影響水面效果。該參數(shù)是將法線(xiàn)從紋理空間變換到世界空間，并且把表面反映到環(huán)境貼圖的視線(xiàn)向量上來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.4基本光照模型

水面的波動(dòng)效果模擬了水面的整體運(yùn)動(dòng)情況，但實(shí)際水面上還分布著許多細(xì)小的波紋，對(duì)波動(dòng)效果的模擬需要采用逐點(diǎn)計(jì)算運(yùn)動(dòng)位置，對(duì)于細(xì)小的波紋如果仍采用類(lèi)似波動(dòng)的計(jì)算方法，需要將水面模型網(wǎng)格變得更細(xì)小，所需頂點(diǎn)數(shù)至少增加 1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，因此這種方法造成的計(jì)算量非常大，不適合在Pc機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制。通過(guò)比較采用逐像素的燈光計(jì)算方法更有效，主要思想是利用光照效果來(lái)細(xì)化海水表面的細(xì)節(jié)，生成水面波紋與光照效果，就需要更加貼近真實(shí)的光照模型。光照模型利用 Direct3D提供的基本光照模型附加距離衰減因子得到基本光照模型。該光照模型里面包含四個(gè)分量分別為物體表面放射 emissive、環(huán)境反射 ambient、漫反射 diffuse 和鏡面反射 specular，每個(gè)分量都決定了表面材質(zhì)和光源性質(zhì)的不同。

4 結(jié)論

在動(dòng)態(tài)水面的模擬中，采用根據(jù)不同動(dòng)態(tài)場(chǎng)景特征采用不同的繪制方法，將不同的技術(shù)疊加形成動(dòng)態(tài)效果。通過(guò)簡(jiǎn)化和分層技術(shù)，保證了圖像實(shí)時(shí)的繪制頻率。在目前可編程圖形硬件GPU技術(shù)有了迅猛的發(fā)展的今天，可以完成以前在CPU上難以實(shí)時(shí)進(jìn)行的比較復(fù)雜圖形計(jì)算任務(wù)，在復(fù)雜地形大面積水體虛擬顯示場(chǎng)景中，分層分布式場(chǎng)景繪制是一個(gè)新的研究方向和領(lǐng)域。

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喬國(guó)娜（1977-），陜西合陽(yáng)，1977年5月出生,女，漢族,碩士，講師，主要從事圖形圖像教學(xué)工作

Water drawing technology Study and Appllication in Virtual reality system

Qiao Guona
(Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang,712000，China)

In the process of Virtual reality system implementation water drawing is very important part. Through analysing,comparing the water features and summarizing,drawing lessons from a large number of domestic and foreign research results and Literature this article deeply analyses and studies the water simulation drawing method under different scenes,and put forward the different water model drawing ways which is with higher rendering efficiency and visual effects and can be realized in PC.

Virtual reality system；Water drawing；texture mapping；illumination model

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