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大规模虚拟战场环境中海洋场景的建模与绘制技术研究

陆志慧  
【摘要】:利用虚拟战场进行军事训练和模拟演习具有临境性、交互性和可重复性等诸多优点,它将成为各军事大国在新时期进行战略、战术模拟作战演练的有效途径。任何虚拟战场都存在一个能够模拟真实世界视景的虚拟作战自然环境,这个自然环境中的事物能够随着战争进程的发展而实时动态变化。海洋场景作为其中的一个重要组成部分,其研究具有重要的学术意义和应用价值。 本文主要研究大规模虚拟战场环境中海洋场景的建模和实时绘制关键技术。主要研究内容包括:高度真实感的深海和浅海海面建模与实时绘制技术,以实时生成具有很强临场感的海洋视景;海面场景中的特效生成技术;大规模虚拟海战场景的实现技术等。本文的主要工作如下: 在对深海海面特点进行研究的基础上,提出了基于缠绕噪声分形面的深海海面建模与实时绘制算法。首先构建了基于Patch的海面网格LOD模型,针对不同分辨率块之间可能出现的T-连接点和裂缝问题,引入了“衔接性模板”来实现不同分辨率块之间的无缝拼接;通过引入不同频率的Perlin噪声来叠加生成噪声分形面,作为海面高度场的激励源,并通过分形面的缠绕来模拟海面;提出了分形面的自映射方法,得到不同时刻的分形序列,从而模拟连续动态变化的海面;在绘制海面光照时,实现了基于GPU的海面网格法向量计算,并采用立体纹理映射技术来模拟海水周围的天空背景,通过线纹理快速查找表来计算得到基于Fresnel定理的太阳光局部反射效果。实验表明,该算法能实时生成具有很高真实感的深海海洋场景。 综合海浪谱模型和Perlin噪声模型的优点,提出了基于海浪谱和噪声分形面混合模型的浅海海面建模与绘制算法。通过对海浪谱模型的分析,提出了波浪方向分布函数的分解模型,根据波浪折射理论,将浅海海面的海浪模型简化为基于海浪频谱的方向波与基于Perlin分形噪声的随机波浪的线性组合。在对海面光照进行渲染时,在深海海面光照绘制的基础上,通过线纹理快速查找表实现了太阳光的折射效果。实验表明,该算法能实时生成真实的浅海海洋场景。 采用快速粒子系统方法,对海面场景中的特效进行了建模与实时绘制。基于动力学和物理学理论建立了战场特效数学模型,根据粒子系统原理,实现了舰船航迹和爆炸水柱等海面特效。另外,为了调试程序方便和快速生成其它场景特效,本文设计和实现了采用通用粒子系统快速生成场景特效的特效模拟器,效果良好。 在研究以上算法的基础上,本文设计和实现了一个大规模虚拟海战环境演示系统,它能实时生成大规模海战和空战演练中的深海、浅海和海洋特效等场景。该演示系统具有很好的实时性和真实感,已通过973专家组中期验收。


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