[发明专利]一种基于GPU的实时动态水面模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术和GPU技术，尤其涉及一种基于GPU的实时动态水面模拟方法。

背景技术

GPU是能够从硬件上支持多边形转换与光源处理的图像显示硬件。目前在GPU上进行的主要运算包括光照计算、深度检测、光栅化、反走样等。由于GPU采用的是单指令多数据的处理器设计模式，而且它不需要进行内存管理、对系统的输入输出作出响应等，所以它在图形处理方面的性能远远大于CPU。

在GPU的流水线中，包括两个可编程例程，一个是顶点着色器，另一个是片段着色器。在顶点着色器例程中，GPU载入每个顶点的位置、颜色、纹理坐标等属性，经过一系列的处理，最后输出变换后的顶点数据，还有一些纹理贴图坐标，这些数据作为片段着色器的输入，在片段着色器中，主要进行纹理的采样，最后输出该顶点的颜色。

在现实世界中，水体的运动无处不在，如河水的流动，海浪的运动。在计算机当中模拟水面效果，实际上是把水体的运动数据在计算机空间中数字化。它与真实感模拟的需求密不可分。目前，已经有多种方法对水体进行实时的模拟。在海洋模拟方面，Mastin在1987年提出了采用经验海洋频谱模型来表示自然界中海洋的方法。在交互的过程当中，它需要用户提供风速，然后使用改进的Pierson-Moskowitz频谱描述二维傅立叶域滤波器的形状。另一种方法是基于物理的模拟方法，主要是通过求解Navier-Stoke方程。它是流体力学中描述粘性牛顿流体的方程，也是目前最复杂的方程之一。在Navier-Stoke方程中，主要包括对流、压力、扩散和外力四项。目前对该方程的求解主要有半拉格朗日法，但由于目前GPU计算的局限性，以及该方法本身对数据存储及循环的特殊要求，完全满足实时性有一定的难度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于GPU的实时动态水面模拟方法。它所要解决的问题是在绘制场景的时候，实现场景中的一些特殊效果，比如建筑前面的水池。它的侧重点是在水面的效果，而不是水的物理特性的模拟，而且它还需要满足实时绘制的需求，不占用太多的渲染资源。

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。

所述的使用HLSL语言编写基于Directx Shader的FX效果文件，同时提供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：