基于GPU的水面实时渲染算法概要VIP免费

2008年10月October2008—233—计算机工程ComputerEngineering第34第20期Vol卷.34No.20·图形图像处理·文章编号:1000—3428(200820—0233—02文献标识码:A中图分类号:TP393基于GPU的水面实时渲染算法王道臣1,万旺根1,唐经洲2,陈华杰1(1.上海大学通信与信息工程学院,上海200072;2.南台科技大学电子工程系,台湾73502643摘要:提出基于可编程图像硬件实时生成真实水面的渲染方法,通过实现水面建模、水面折射和反射完成整个渲染过程。在正弦波叠加的同时,利用2个凹凸纹理实现水面的动画效果,通过实时纹理映射技术实现水面的反射、折射和菲涅尔等水面光照效果。实验证明该算法能够很好地满足人们对真实感和实时性的要求,适用于虚拟现实中真实水面的生成。关键词:可编程图形硬件;渲染;虚拟现实Real-timeRenderingAlgorithmforWaterSurfaceBasedonGPUWANGDao-chen1,WANWang-gen1,TANGJing-jou2,CHENHua-jie1(1.SchoolofCommunicationandInformationEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072;2.DepartmentofElectricalEngineering,SouthernTaiwanUniversityofTechnology,Taiwan73502643【Abstract】Thispaperpresentsanalgorithmtogenerateandrenderwatersurfaceinreal-timebasedonprogrammablegraphicshardware.Thealgorithmcompletestherenderingprocessbyrealizationofwatersurfacemodelingandreflectionandrefractionofwater.Itmodelsthewatersurfacebasedonsinewaveoverlapped,usingtowbumping-mapstoachieveactioneffectofthewater,realizesthereflection,refractionandfresnelilluminationeffectswithtexturemapping.Experimentalresultshowsthealgorithmmeetsthephotorealismandreal-timerequirementverywellandcanapplytothegenerationofphotorealisticwaterinvisualreality.【Keywords】programmablegraphicshardware;rendering;visualreality1概述对自然景物的建模和渲染一直是虚拟现实的重要组成部分,也是计算机图形学研究的重点和热点。水作为自然景物的一部分,在增加虚拟现实的真实感和沉浸度方面有着非常重要的作用。国内外一些专家提出了很多关于水面生成与绘制的算法和技术,这些技术有些虽然能生成具有真实感的水面效果,但往往无法满足实时绘制的速度要求。有些能实时生成,但通常采用一些非常简单的建模和光照模型,绘制出的水面效果真实感不强。随着计算机图形硬件性能的不断提高,复杂的图形计算已经逐步从CPU转向图形硬件的图形处理单元(GraphicsProcessingUnit,GPU。本文介绍的绘制算法充分利用GPU提供的可编程特性及强大的计算能力,既能绘制具有真实感的水面,又能满足实时绘制的速度要求。目前对水面的建模可以分为3类:(1基于几何模型的方法,即直接由波型函数构造参数曲面来表示海浪表面,如Peachey[1]采用正弦函数和二次函数的线性组合来模拟波浪的外形。由于波型函数本身反映了海水表面的高度变化,因此可以模拟海浪的运动,但不能模拟波浪的破碎等现象。该算法简单直观,实时性相对较好,能满足对真实性要求不高的情况。(2基于物理模型的方法,常用Navier-Stokes方程[2],即经典流体力学来建立水波模型,用求得的方程数值解得到海浪的具体形状,该方法是在给定初始条件和边界条件下自动产生的,因此,它所生成的海浪形状非常接近真实的物理现象。缺点是方程的求解很困难,目前还不能满足实时性的要求。(3基于谱的分析方法,利用海洋统计和经验模型,通过大量正弦波的叠加来模拟海面,采用FFT(快速傅里叶变换合成一个类似海浪谱分布的高度场,文献[3-4]分别描述了采用统计模型和FFT方法模拟海浪的方法。由于在合成过程中常采用规则矩形粗网格来完成实时绘制和避免FFT方法产生的视觉上明显的重复性,因此降低了图像的质量和真实感。另外还有混合了以上2种或多种的方法,如文献[5]提出的基于cellularautomat的实时海浪模拟方法、尹勇的基于浪级划分和海浪谱的实时模拟方法。在水面光照效果的绘制方面,文献[3]对深度海水动画及海面光照效果绘制算法进行了介绍,也讨论了硬件加速方面的绘制技术。文献[6]提出了基于图像空间的菲涅耳效果的绘制方法。本文介绍了一种实时绘制水面的方法,...