[发明专利]一种实时浅水模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形学领域，特别是涉及一种实时浅水模拟方法。

背景技术

水模拟一直是计算机图形学研究的重要内容。因为物理过程的复杂性，逼真的模拟液体很困难。许多解决方法使用光线跟踪或者复杂的微分方程去近似水体的光学特性和运动动力学。但这样物理精确的方法通常使用很多渲染时间。随着可编程三维硬件的进步，原来许多离线的算法也可以用于实时的应用。但在交互式的环境实现复杂效果的时候，必须考虑质量和性能的平衡。可以使用有效的技术来近似水的光学特性，即使不是物理上完全正确的，但对人眼来说完全可信。

水这样的液体最自然的表示是粒子系统。因为分子级别的模拟任然是不可能的，粒子系统在粗糙的级别上比较实用。每个粒子有水体的一部分的状态信息，并且服从作用在它上面的许多外力。根据波模型来求解和更新粒子的状态。渲染通常使用元粒子来完成，使用诸如著名的Marching Cube算法这样的等值面生成技术。基于粒子的方法的优点是逼真而灵活，但因为内存需求高，实际使用很有限。粒子模型最影响性能的部分是不同粒子之间的交互和与外部环境的碰撞的实现。通过使用一个固定网格的体素场，使粒子位置不变将极大的简化这个步骤。体素方法通过固定网格上的变化跟踪液体的物理状态而不是跟踪每个粒子在水体中的轨迹。

体素表示的主要优点是计算速度和实现的简化，因为是固定网格结构，相邻网格之间的交互可以很容易的计算，模拟的精确度由网格分辨率决定。体素技术比粒子模型提供更多的灵活性。但体素技术也有很多局限，基于粒子系统的方法是开放的，可以在无限的空域内运行。而基于体素的方法局限在体素场的空间范围内，是一个封闭的系统。一个可能的解决方案是根据需要扩展这个场。最好的解决方法是避免这样的扩展，为液体提供物理约束(例如把水放在玻璃杯或者池塘这样的封闭容器中)。尽管比大的粒子系统有效，但随着网格分辨率的增加，求解和渲染基于三维体素的水成本很高。

还有一个方法是基于2.5维的表示，也就是高度场。高度场因为计算快，有很多优点，比如容易渲染，占用内存低。把高度场转化为几何网格也是很容易的，因为不需要复杂的表面生成。高度场的大量研究用于地形渲染，大多数为地形开发的LOD和VSD技术，可以直接用于水面高度场。但水高度场也有很多限制，只能模拟一些物理效果。连接相邻网格的斜率是90以下的角度，这样只能局限于模拟凸波。

现有的水模拟的方法的缺点是需要庞大的计算量才能实现水的实时反射，水的实时折射，水的实时波动等水波效果。

因而，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何找到一种计算方法简单的实时浅水模拟方法。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种实时浅水模拟方法，该方法只需要简单的计算量就可以实现水的实时反射，水的实时折射，水的实时波动等水波效果。

为了解决上述问题，本发明公开了一种实时浅水模拟方法，包括：

模拟水波表面的光学特性，获得模拟的水波的实时波动效果图；

设定模拟的水面网的光照模型，获得模拟的水面网的光照模型；

对模拟的水波的实时波动效果图采用水面网的光照模型进行光照渲染，获得模拟水波的实时、光照波动效果图。

优选的，所述模拟水波表面的光学特性，获得模拟的水波的实时波动效果图的步骤，包括：

采用三角形构建单元构建三角形网架，获得模拟的三角形水面网；

采用法线贴图的方式对模拟的三角形水面网进行法线贴图，获得模拟的三角形水面网的静态效果图；

采用扭曲贴图的方式对三角形水面网的静态效果图进行波动效果的模拟，获得模拟的水波的实时波动效果图。

优选的，所述采用法线贴图的方式对模拟的三角形水面网进行法线贴图，获得模拟的三角形水面网的静态效果图的步骤，包括：

采用渲染到纹理的方法，创建反射纹理，获得模拟水波的反射效果纹理图；

创建折射纹理，获得模拟水波的折射效果纹理图；

采用法线贴图的方式将模拟水波的反射效果纹理图及模拟水波的折射效果纹理图，贴在所获得的模拟的三角形水面网上，获得模拟的三角形水面网的静态效果图。

优选的，所述采用渲染到纹理的方法，创建反射纹理，获得模拟水波的反射效果纹理图的步骤，包括：

渲染水平面以上的物体，获得水平面以上的物体的反射纹理效果图；

根据水面面以上的物体的反射纹理效果图翻转相机，获得水平面以下的物体的初始反射纹理效果图；