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基于海浪谱的海浪模拟算法研究与系统实现

刘洁  
【摘要】:自然现象的模拟一直以来都是计算机图形图像领域最具有挑战性的研究方向之一,它被广泛地应用于计算机动画、纹理制作、电影游戏制作、虚拟现实和工程领域。海浪是自然现象的重要组成部分,与其它自然现象相比,其空间广阔性与运动随机性增加了模拟的难度。论文主要对基于海浪谱的海浪建模技术和绘制技术进行了一些改进。 基于海浪谱的海浪建模技术利用海洋学多年的观测资料和研究成果进行建模,体现了真实的海浪数据。但这种技术通常用高度场表示海浪,即海面上任一点只有一个高度,因此不能表示波峰卷曲的海浪。Gerstner模型可以解决这个问题,但真实感不强。在研究已有的海浪建模算法的基础上,我们采用一种基于海浪谱的3D Gerstner改进模型对海浪进行建模。该模型首先定义3D Gerstner模型的三维离散化形式,然后利用海浪频谱和方向谱的相关公式获得固定风速下的各参数值,实现固定风速的海浪模拟。风是海浪运动的动力,研究海浪模拟必须考虑风对海浪的影响。而现有海浪谱缺少风对海浪影响的观测资料,因此我们进一步构造了风力模型,模拟风力作用下的海浪。海浪空间范围广阔,为提高绘制速度,我们研究了一种视点相关的网格技术用于实时绘制海浪,该方法能实时生成多层次的不规则网格,避免对无穷海域剪裁,从而加快了绘制速度。 根据上述算法,我们实现了一个海浪原型系统。实验结果表明,上述算法较好地兼顾了真实感和实时性,可模拟波峰卷曲的海浪,并能体现海浪波峰较陡峭、波谷较平坦的物理特征。


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