[发明专利]一种基于GPU的实时动态水面模拟方法

权利要求书

1.一种基于GPU的实时动态水面模拟方法，其特征在于包括如下步骤：

1)使用HLSL语言编写基于Directx Shader的FX效果文件，在FX效果文件中同时包括顶点着色器和片段着色器；

2)在3DS Max中建立水池模型，水池模型包括池壁和池底，池壁是一个圆环，池底是一个圆形平面，其中池壁的材质采用磁砖贴图，池底的材质采用鹅卵石贴图；

3)在建好的水池模型当中，额外增加一个圆形平面，用于显示反射和折射颜色，圆形平面的大小和池底的大小一致，它的位置相对池底往上一点，圆形平面的材质采用DirectX Shader，在3DS Max的材质编辑器中选择已经编写的FX效果文件，按编辑器的要求选择法向贴图，并按照普通贴图的方法映射到网格顶点上，作为每个顶点的法向，此外，还设置反射纹理和折射纹理，避免在程序当中没有设置反射和折射纹理的情况下出错；

4)在三维应用程序中加载由3DS Max建立的水池模型，以及对应的FX效果文件，并设置FX效果文件的全局输入，全局输入包括变换矩阵，摄像机位置，当前时间片；

5)根据当前的摄像机位置，把场景渲染到帧缓存当中，并把它传递给FX效果文件作为折射纹理；

6)求得水平面的平面方程Ax+By+Cz+D＝0，把摄像机变换到与水平面对称的位置，再次对场景进行渲染，把渲染得到的结果传递给FX效果文件作为反射纹理。

2.根据权利要求1所述的一种基于GPU的实时动态水面模拟方法，其特征在于所述的使用HLSL语言编写基于Directx Shader的FX效果文件，在FX效果文件中同时包括顶点着色器和片段着色器步骤下：

(1)声明FX效果文件的输入纹理，以及它们的采样方式，这些纹理包括作为法向贴图的纹理、反射纹理和折射纹理；

(2)声明作为全局输入的变换矩阵、时间变量、摄像机位置的变量，以及它们的类型；

(3)编写顶点着色器例程，顶点着色器例程的输入是顶点的位置以及纹理坐标，在顶点着色器例程的内部，需要把顶点变换到世界空间中的位置，然后利用纹理坐标从法向贴图中得到该顶点的法向量，并对法向量添加扰动，其扰动幅度的计算公式如下：

D(t)＝frac(α*t)公式1

其中t是全局时间，α是浮点常量，frac函数是由GPU提供的小数部分截取函数，然后根据公式2和公式3计算每个顶点的反射和折射向量：

r→=e→-2(n→·e→)n→,e→=p→-c→||p→-c→||]]>公式2

其中-顶点位置，-顶点法量，-摄像机位置。

t→(p→,n→)=n12-1e→-α(τ)n→,]]>

α(τ)=n12-1τ+1-n12-2(1-τ2]]>公式3

其中τ=e→·n→,]]>n12-1=n1n2,]]>e→=p→-c→||p→-c→||,]]>为顶点法量，n₁，n₂分别为水和空气的折射率，，为顶点位置，为摄像机位置；

把变换后顶点的位置，纹理的采样坐标，作为结果返回该例程，然后将该结果作为片段着色器的输入。

(4)编写片段着色器例程，片段着色器例程把顶点着色器例程的结果作为输入，通过GPU提供的采样函数tex2Dproj，对反射纹理和折射纹理进行采样，得到水面显示出来的反射颜色C_reflect和折射颜色C_refract，根据菲涅耳现象，按照公式4把两个颜色进行混合：

C_water＝FC_reflect+(1-F)C_refract    公式4

对于菲涅耳系数F，采用简化的模型进行计算：

F(k)=(1-k)2*0.97963+0.02037,k=a→·n→]]>公式5

其中为视点到顶点的单位向量，为单位法向。

3.根据权利要求1所述的一种基于GPU的实时动态水面模拟方法，其特征在于所述的求得水平面的平面方程Ax+By+Cz+D＝0步骤：在求平面方程的时候，根据平面上的三个顶点，求得两条向量，把两条向量进行叉积得到A、B、C参数的大小，再把一个顶点代入方程，求得D的值。