[发明专利]一种实现三维场景中地球海洋水效的方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形学在地理信息系统(GIS)的应用领域，具体涉及实现三维场景中地球海洋水效的方法。

背景技术

随着数字地球普及、智慧城市的推广，地理信息产业备受政府、企业的关注与支持，得到了长足发展，对地球平台的显示效果要求也越来越高，而海洋占据了地球表面积的71％，海浪的模拟在工程领域和商用领域同样有着广泛的应用价值，对海洋浪流的模拟已到了不可忽略的地步。硬件的不断更新迭代，现有的渲染硬件都支持了可编程管线渲染，实现对不同渲染状态的控制，进而可将计算机图形中的很多技术应用到其中，使得海洋浪流的计算机模拟更得心应手。

目前，针对海洋浪流的模拟研究主要有三个方向，一是使用大量顶点构建物理模型，二是基于几何建模的凹凸纹理映射，以及基于粒子系统的动力建模。顶点物理建模以及动力模型建模的海洋模型模拟动态水效需大量的节点数据，对顶点数据进行模拟变换产生海面水浪的效果，但其对数据带宽尤为宝贵的地理信息展示平台而言，以大量顶点变换来模拟真实水效所导致的资源消耗是不可忽略的，增加了数据量的同时也降低了渲染的速率，难以满足实时性要求，因此本发明针对地理信息平台采用几何建模方法设计一种资源消耗有限，同时能满足人们高体验感的地球海洋水效方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种实现三维场景中地球海洋水效的方法，其包括如下步骤：

步骤1、建立标记图层；

步骤2、产生海浪纹理，并加载；

步骤3、使用顶点着色器进行顶点变换；

步骤4、使用片元着色器进行像素着色；

步骤5、对海洋表面颜色、纹理、材质、光照进行融合和混合计算，得到绘制数据。

其中，所述步骤1包括：

初始化球面数据；

选取某一海域标记图；

为所述海域标记图添加坐标参考，并作为一个图层加载在场景中，其中apha值置为1对应海洋区域，apha值置为0对应的陆地区域；

根据场景调度过程中与其他图层一致实现对所述海域标记图的瓦片切割。

其中，所述步骤2包括：

将不同波长、不同频率以及不同振幅的余弦波线性叠加形成的法矢图，生成凹凸纹理照片。

其中，将不同波长、不同频率以及不同振幅的余弦波线性叠加形成的法矢图，具体为将所述凹凸纹理照片视为按以下公式的形式将不同波长、不同频率以及不同振幅的余弦波线性叠加形成的法矢图，

式中y(u,v)为凹凸纹理在(u,v)处的像素值，a_n为振幅，k为角波数，c为相位。

其中，所述步骤3包括：

在渲染地球模型时，采用简化的球面投影解算其经纬坐标值，以经纬度都为0的点为纹理起始坐标点，以向东为纹理U向，以向北为纹理V向，设置纹理贴图为重复方式；再通过每帧改变法矢纹理的纹理坐标值实现海浪波动的效果，改变设置纹理坐标的变化幅度speed来模拟水流速度，设置旋转角α，其中α在0到2π之间，来控制纹理的旋转以模拟水流方向，从而在顶点着色阶段纹理坐标的计算应具有如下形式，：

其中speed表示水流速度，α为旋转角，FrameTime为帧时长。

其中，所述步骤4包括：在渲染管线渲染过程中，传入GPU端的数据经过顶点变换后的提交至片元着色阶段，在片元着色阶段对传入的数据赋予颜色后提交给硬件进行光栅化显示在窗口中的指定位置。

其中，所述步骤4还包括：

对传入片元着色器的顶点数据首先根据纹理坐标进行多重纹理融合，获取所述标记图层对应纹理坐标处的纹理值，判断其apha通道的值，若apha为1表示该处顶点为海洋区域，对该顶点添加光照修改其颜色值，达到有阳光照射下的较为真实状态，否则表示为大陆区域，不再对顶点多重纹理融合后的颜色值进行浪效以及光照变换。

其中，所述阳光照射的光照模型采用Phong光照模型，其包括环境反射部分，和漫反射与镜面反射部分，其中漫反射分量和镜面反射分量表示特定光源照射在景物表面上产生的反射光，单光源情况的计算公式如下：

I＝k_aI_pa+I_p(k_d cosi+k_s cosⁿθ)