CN101226643B - 可依水面实际高度绘制3d水面的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明在每一个水波映射图的可视范围内产生水波格点，根据水波格点的二维坐标产生相对应的第三维坐标，此第三维坐标对应至水波的实际高度，最后再根据此第三维坐标产生具有波浪变化的水面。本发明还可动态获得水面高度信息，并根据所获得的水面高度信息产生具有光影变化的水面影像，其中包含折射及反射的效果，使产生的水面影像更接近实际状况。

Description

可依水面实际高度绘制3D水面的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种先产生水面实际高低信息再根据水面实际高低信息绘制水面的装置及方法。

背景技术

由于科技的进步，人们的日常生活也与科技息息相关，在电影与电玩游戏中，常常看到所谓的3D动画，由于影像技术的成熟，3D动画跟实际生活中的场景也越来越接近。3D动画在产生水面影像时，为了营造水面的效果，除了产生水面高低起伏的外形变化外，往往需加上水面光影变化才能更真实地呈现水的感觉，因此产生水面的反射贴图与折射贴图是相当重要的步骤。

通常水面光影效果以下列公式表示：

C_result＝F(θ)*C_reflect+(1-F(θ))*C_refract          (1)

其中C_result为水面最后所呈现的颜色，C_reflect与C_refract分别表示来自于环境的倒影和水中物体通过水所呈现的颜色，F(θ)为混合这两种光影的Fresnel系数。水面倒影通常包括二大部分：远距离环境倒影C_environment及近距离物体的倒影C_localreflect，而

C_refect＝C_environment+C_localreflect                 (2)

C_environment与C_localreflect分别是通过反射向量及投影向量当作取样坐标贴至水面上。为了让人感觉水深的变化，同样地也须考虑水中物体通过水所呈现的颜色，其计算公式如下：

C_refract＝e^-f(y)*C_objectcolor+(1-e^-f(y))*C_watercolor    (3)

其中C_objectcolor为原本物体的颜色，C_watercolor则为水依不同深度所呈现的颜色，e^-f(y)为依据水深混合这以上两种颜色的比例系数。这部分同样地也是通过投影向量当作取样坐标贴至水面上，且通常这些取样坐标都会经过适度的扰动而增加更细致水波纹效果。

图1表示一种公知绘制水面影像装置1，该装置1包含数据库10、反射图形产生模块11、折射图形产生模块12及图形合成模块13。数据库10储存有水波图16，反射图形产生模块11及折射图形产生模块12是根据固定水面高度产生反射图14及折射图15，其中固定水面高度是指将水面视为平静水面不会波动，因此将水面高度视为固定默认值。之后再由图形合成模块13利用公式(1)将储存在数据库10的水波图16与反射图14及折射图15作合成，以产生具有波浪及光影变化的水面影像17。

公知技术在计算近距离物体的倒影Clocalreflect(反射图14)与水中物体折射效果Crefract(折射图15)过程中都没有考虑实际水面的高度变化，通常假设水面位于高度(Y轴)为零的位置来产生上述的光影贴图，这类作法只能应付平静抑或是具有微小波浪的水面，对于具有较大振幅波浪的水面(例如海边)经常会产生瑕疵，例如岸边泡沫并未围绕礁石，且水面下礁石折射光影明显过度偏离实际礁石所在位置，又例如折射部分误认为是反射部分。会产生这样的错误是因为采用固定水面高度的关系(假设水面位于高度为零的位置)，并用此参考位置产生反射贴图与折射贴图，因未参考实际水面高度而把折射部分误认为是反射部分，反之亦然。

因此能更真实地呈现水的感觉，使3D动画看起来更加贴近实际感觉，进而提升3D动画相关产业的价值，乃是业界仍然需要努力解决的目标。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种绘制水面的装置，包含图形合成模块、第一产生模块、坐标产生模块及图形产生模块。图形合成模块用以合成多个水波映射图(Water Waves Map)以产生合成水波映射图；第一产生模块用以在每一个上述这些水波映射图的可视范围内产生多个第一水波格点，及在该合成水波映射图上的该可视范围内产生多个第二水波格点，其中，每一个上述这些第一水波格点及上述这些第二水波格点都具有二维坐标；坐标产生模块用以根据上述这些第一水波格点的该二维坐标产生相对应的多个第三维坐标；以及图形产生模块用以根据上述这些第三维坐标及上述这些第二水波格点的二维坐标产生该水面。

本发明的另一目的在于提供一种绘制水面的方法，包含下列步骤：合成多个水波映射图以得到合成水波映射图；在每一个上述这些水波映射图的可视范围内产生多个第一水波格点，其中每一个上述这些第一水波格点具有二维坐标；在该合成水波映射图上的该可视范围内产生多个第二水波格点，其中上述这些第二水波格点都具有二维坐标；根据上述这些第一水波格点的该二维坐标产生相对应之多个第三维坐标；以及根据上述这些第三维坐标及上述这些第二水波格点的该二维坐标产生该水面。

本发明可动态获得水面高度信息，使得在产生水面影像时，可以更贴近真实水面的光影变化，且若在水面上或水面下具有物体(礁石、船及浮出水面的鲸鱼等等)，本发明更可根据实际水面高度信息去产生折射图及反射图，并将折射图及反射图与具有波浪变化的水面结合，产生更接近真实水面的折射与反射现象的水面影像，进而提升3D动画相关产业的价值。

在参照附图及随后描述的实施方式后，所属技术领域的技术人员便可了解本发明的其它目的，以及本发明的技术手段及实施方式。

附图说明

图1为公知绘制水面影像装置的示意图；

图2为本发明的第一实施例的示意图；

图3为正余弦波形的波形图；

图4为人类的眼睛由上往下俯视水面的示意图；

图5为本发明的第二实施例的流程图；

图6为本发明的第二实施例的产生水波格点步骤的流程图；

图7为本发明的第三实施例的流程图；

图8为本发明的第三实施例的产生水波格点步骤的流程图；

主要元件标记说明

1：公知绘制水面影像装置    10：数据库

11：反射图形产生模块       12：折射图形产生模块

13：图形合成模块           14：反射图

15：折射图                 16：水波图

17：水面影像               4：绘制水面的装置

400：图形合成模块          401：第一产生模块

402：坐标产生模块          403：图形产生模块

404：水波映射图            405：合成水波映射图

406：第一水波格点          407：第二水波格点

408：摄取模块              409：格点产生模块

410：第一参考点            411：第二参考点

412：第三维坐标            413：物体顶点二维坐标

414：物体顶点第三维坐标    415：水面影像

500：正弦波                501：正弦波

502：合成波                600：眼睛

602：水面                  603：顶点

604：顶点       605：顶点

606：顶点       607：实际水面

608：格子图     609：顶点

610：顶点       611：顶点

612：顶点

具体实施方式

本发明的第一实施例如图2所示，为一种绘制水面的装置4，该装置4包含图形合成模块400、第一产生模块401、坐标产生模块402及图形产生模块403。首先图形合成模块400接收多个水波映射图(Water WavesMap)404，此水波映射图404为预先产生，公知技术利用中央处理器所产生的水波映射图大都为正弦波图、余弦波图及快速傅利叶波图等等。若水波映射图404为正弦波图，水波映射图404的水波只是较为规律及单调的正弦波。如图3所示，正弦波500与正弦波501分别存于不同的水波映射图404中，若仅以其中一个水波映射图来表示水面的波浪，会显得十分单调，且现实中的水波并不会如此规律。若合成正弦波500与正弦波501，如合成波502，则看起来较类似现实的水波变化，所以图形合成模块400将不同振幅或相位的正弦波图做合成，或者将正弦波图、余弦波图及快速傅利叶波图混合合成，以产生较接近现实中水波的合成水波映射图405，其中该合成水波映射图405为2D图。

如图4所示，当人类的眼睛600由上往下俯视水面602时，由于视角的关系，只会看到实际水面607。以人类的眼睛600的方向看来，实际水面607的形状接近梯形(近窄远宽)，其可由4个顶点603、604、605及606所定义。由于利用梯形的水面图内插求出内部网格点较为不易，因此第一产生模块401将此梯形映像成矩形的格子图608，以方便内插计算处理，更进一步来说，此格子图608的4个顶点609、610、611及612分别对应至顶点603、604、605及606。格子图608中含有许多格点，每一个格点都有其二维坐标，此处所指的二维坐标是指为水面的X轴坐标及Z轴坐标。

更详细来说，第一产生模块401包含摄取模块408及格点产生模块409，摄取模块408针对每一个水波映射图404的实际水面607周围产生4个第一参考点，此4个第一参考点即为该水波映射图的实际水面607的顶点(如同图4的顶点603、604、605及606)，所有水波映射图404的第一参考点410均被传送至格点产生模块409。另外摄取模块408也将合成水波映射图405上的实际水面607周围产生4个第二参考点411，此4个第二参考点411即为合成水波映射图405的实际水面607的顶点(如同图4的顶点603、604、605及606)，第二参考点411亦被传送至格点产生模块409。因此摄取模块408也可以说是分别在水波映射图404及合成水波映射图405上产生如图4梯形的实际水面607，并分别摄取出梯形的4个顶点。

格点产生模块409先将水波映射图404及合成水波映射图405中的梯形实际水面607转换成格子图608，并采用像素遮影技术(Pixel Shader)，根据所有第一参考点410，在相对应的矩形上产生第一水波格点406(如同格子图608中的格点)，而每一个第一水波格点406都含有本身的二维坐标(X轴坐标及Z轴坐标)。另外，也利用第二参考点411，在相对应的矩形上产生第二水波格点406(如同格子图608中的格点)，而每一个第二水波格点406亦含有本身的二维坐标(X轴坐标及Z轴坐标)。

坐标产生模块402根据每一个第一水波格点406的二维坐标，通过下列关系式产生每一个第一水波格点406的第三维坐标412：

$H_w=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tex}2D({\mathrm{wave}}_i,V_{\mathrm{pos}}.\mathrm{xz}/{\mathrm{scale}}_i)$

其中H_w为第三维坐标(即Y轴坐标，水波的水面实际高度)，wave_i为相对应的水波映射图，V_pos.xz为第一水波格点406的二维坐标及scale_i为预设常数，预设常数为使用者定义的常数，用来控制所产生水波纹的频率。另外，由于当水波在水边时，水边常有物体(如礁石、船及浮出水面的鲸鱼等等)折射及反射至水中及水面，为了可以随时插入任意物体至水面图中，因此坐标产生模块402也将根据物体(即上述礁石、船及浮出水面的鲸鱼等等)顶点二维世界(world)坐标413(物体顶点二维世界坐标即是将物体顶点的原来X轴及Z轴的坐标经过顶点遮影技术(Vertex Shader)转换而来)产生该物体顶点相对应水的高度的物体顶点第三维世界坐标。

接下来，图形产生模块403利用顶点遮影技术(Vertex Shader)并根据第二水波格点407的二维坐标及每一个第一水波格点406的第三维坐标412产生水面，且图形产生模块403还根据物体顶点二维世界坐标413、物体顶点高度坐标及对应水的高度的物体顶点第三维世界坐标414，判断该顶点位于实际水面之上或之下，进而产生该物体映于水中的折射图及反射图，最后图形产生模块403利用像素遮影技术将具有波浪变化的水面与之前产生的折射图及反射图做合成，以产生具有波浪与光影变化的水面影像415。

本发明的第二实施例如图5所示，为一种绘制水面的方法的流程图，首先执行步骤700，接收多个水波映射图，此水波映射图为预先产生，此处的水波映射图与第一实施例中的水波映射图相同，故不赘述。若仅以其中一个水波映射图来表示水面的波浪，会显得十分单调，且现实中的水波并不会如此规律，故合成多个水波映射图中的正弦波，以产生合成波，此合成波看起来较类似现实的水波变化，所以在步骤701中，将不同振幅或相位的正弦波图做合成，或者将正弦波图、余弦波图及快速傅利叶波图混合合成，以产生较接近现实中的水波的合成水波映射图，其中该合成水波映射图为2D图。

同样地，如图4所示，当人类的眼睛600由上往下俯视水面602时，由于视角的关系，只会看到实际水面607。以人类的眼睛600的方向看来，实际水面607的形状接近梯形(近窄远宽)，其可由4个顶点603、604、605及606所定义。由于利用梯形的水面图内插求出内部网格点较为不易，因此将此梯形映射成矩形的格子图608，以方便内插计算处理，更进一步来说，此格子图608的4个顶点609、610、611及612分别对应至顶点603、604、605及606。格子图608中含有许多格点，每一个格点都有其二维坐标，此处所指的二维坐标是指为水面的X轴坐标及Z轴坐标。

因此执行步骤702及步骤703时，分别产生多个第一水波格点及第二水波格点(如同格子图608上的格点)，更详细来说，如图6所示，步骤702包含下列步骤：首先执行步骤800，针对每一个水波映射图的实际水面周围产生并摄取4个第一参考点，此4个第一参考点即为该水波映射图的实际水面的顶点(如同图4的顶点603、604、605及606)。之后执行步骤801，采用像素遮影技术，根据所有第一参考点，在相对应的矩形上产生第一水波格点(如同格子图608中的格点)，而每一个第一水波格点都含有本身的二维坐标(X轴坐标及Z轴坐标)，因此步骤801如同将水波映射图中的梯形实际水面转换成格子图。步骤703如同步骤702，产生并摄取4个第二参考点，此4个第二参考点即为合成水波映射图的实际水面的顶点(如同图4的顶点603、604、605及606)，再根据第二参考点，在相对应的矩形上产生第二水波格点(如同格子图608中的格点)，而每一个第二水波格点亦含有本身的二维坐标(X轴坐标及Z轴坐标)。

接下来，执行步骤704根据每一个第一水波格点的二维坐标，通过下列关系式产生每一个第一水波格点的第三维坐标：

$H_w=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tex}2D({\mathrm{wave}}_i,V_{\mathrm{pos}}.\mathrm{xz}/{\mathrm{scale}}_i)$

其中H_w为第三维坐标(即Y轴坐标，水波的水面实际高度)，wave_i为相对应的水波映射图，V_pos.xz为第一水波格点的二维坐标及scale_i为一预设常数，预设常数为使用者定义的常数，用来控制所产生水波纹的频率。另外，由于当水波在水边时，水边常有物体(如礁石、船及浮出水面的鲸鱼等等)折射及反射至水中及水面，为了可以随时插入任意物体至水面图中影像中，因此执行步骤705根据物体(即上述的礁石、船及浮出水面的鲸鱼等等)顶点二维世界坐标产生该点对应的水高的物体顶点第三维坐标414。

接下来，执行步骤706根据第二水波格点的二维坐标及每一个第一水波格点的第三维坐标产生具有波浪变化的水面，执行步骤707利用像素遮影技术，并根据物体顶点二维世界坐标413、物体顶点高度坐标及物体顶点第三维坐标，产生该物体映于水中的折射图及反射图，之后，最后执行步骤708根据该水面、折射图及反射图做合成，以产生具有波浪及光影变化的水面影像。

本发明的第三实施例如图7所示，为一种用于绘制水面的装置4的绘制该水面影像方法的流程图。

首先步骤900令图形合成模块400接收多个水波映射图，此水波映射图为预先产生，此处的水波映射图与第一实施例中的水波映射图相同，故不赘述。若仅以其中一个水波映射图来表示水面的波浪，会显得十分单调，且现实中的水波并不会如此规律，故合成多个水波映射图中的正弦波，以产生合成波，此合成波看起来较类似现实的水波变化，所以步骤901令图形合成模块400将不同振幅或相位的正弦波图做合成，或者将正弦波图、余弦波图及快速傅利叶波图混合合成，以产生较接近现实中的水波的合成水波映射图405，其中该合成水波映射图405为2D图。

同样地，如图4所示，当人类的眼睛600由上往下俯视水面602时，由于视角的关系，只会看到实际水面607。以人类的眼睛600的方向看来，实际水面607的形状接近梯形(近窄远宽)，其可由4个顶点603、604、605及606所定义。由于利用梯形的水面图内插求出内部网格点较为不易，因此将此梯形映射成矩形的格子图608，以方便内插计算处理，更进一步来说，此格子图608的4个顶点609、610、611及612分别对应至顶点603、604、605及606。格子图608中含有许多格点，每一个格点都有其二维坐标，此处所指的二维坐标是指为水面影像的X轴坐标及Z轴坐标。

因此步骤902及步骤903分别令第一产生模块401产生多个第一水波格点406及第二水波格点407(如同格子图608上的格点)，更详细来说，第一产生模块401包含摄取模块408及格点产生模块409，因此步骤902如图6所示，包含下列步骤：步骤1000令摄取模块408针对每一个水波映射图404的实际水面607周围产生并摄取4个第一参考点，此4个第一参考点即为该水波映射图的实际水面607的顶点(如同图4的顶点603、604、605及606)。之后，步骤1001令格点产生模块409采用像素遮影技术，根据所有第一参考点410，在相对应的矩形上产生第一水波格点406(如同格子图608中的格点)，而每一个第一水波格点406都含有本身的二维坐标(X轴坐标及Z轴坐标)，因此步骤1001如同将水波映射图404中的梯形实际水面607转换成格子图608。步骤903如同步骤902，令摄取模块408产生并摄取4个第二参考点，此4个第二参考点即为合成水波映射图的实际水面的顶点(如同图4的顶点603、604、605及606)，再根据第二参考点，在相对应的矩形上产生第二水波格点407(如同格子图608中的格点)，而每一个第二水波格点407亦含有本身的二维坐标(X轴坐标及Z轴坐标)。

步骤904令坐标产生模块402根据每一个第一水波格点406的二维坐标，通过下列关系式产生每一个第一水波格点406的第三维坐标412：

$H_w=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tex}2D({\mathrm{wave}}_i,V_{\mathrm{pos}}.\mathrm{xz}/{\mathrm{scale}}_i)$

其中H_w为第三维坐标(即Y轴坐标，水波的水面实际高度)，wave_i为相对应的水波映射图，V_pos.xz为第一水波格点406的二维坐标及scale_i为预设常数，预设常数为使用者定义的常数，用来控制所产生水波纹的频率。另外，由于当水波在水边时，水边常有物体(如礁石、船及浮出水面的鲸鱼等等)折射及反射至水中及水面，为了可以随时插入任意物体至水面图中影像中，因此步骤905令坐标产生模块402也根据物体(即上述的礁石、船及浮出水面的鲸鱼等等)顶点二维世界坐标413产生该点对应的水高的物体顶点第三维坐标414。

接下来，步骤906令图形产生模块403根据第二水波格点407的二维坐标及每一个第一水波格点406的第三维坐标412产生具有波浪变化的水面，步骤907令图形产生模块403利用像素遮影技术，并根据物体顶点二维世界坐标413、物体顶点高度坐标及物体顶点第三维坐标414，产生该物体映于水中的折射图及反射图，之后，最后步骤908再令图形产生模块403根据具有波浪变化的水面、折射图及反射图做合成，以产生具有波浪及光影变化的水面影像415。

上述的方法可利用一种计算机可读取媒体，其储存应用程序以执行上述步骤。此计算机可读取媒体可以是软盘、硬盘、光盘、随身碟、磁带、可由网络存取的数据库或所属技术领域的技术人员所属技术领域的技术人员可轻易思及具有相同功能的储存媒体。

本发明可动态获得水面高度信息，并根据所获得的水面高度信息产生具有波浪变化的水面，且若在水面上或水面下具有物体(礁石、船及浮出水面的鲸鱼等等)，本发明还可根据实际水面高度信息去产生折射图及反射图，并将折射图及反射图与具有波浪变化的水面结合，以产生接近实际情况的具有波浪及光影变化的水面影像，因此本发明可有效解决公知技术的错误。

但上述实施例仅为示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何所属技术领域的技术人员均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况下，对上述实施例进行修改及变化。因此本发明的权利保护范围应如权利要求所列。

Claims (15)

1.一种绘制水面的装置，包含：

图形合成模块，用以合成多个水波映射图以产生合成水波映射图；

第一产生模块，用以在每一个上述这些水波映射图的可视范围内产生多个第一水波格点，及在该合成水波映射图上的该可视范围内产生多个第二水波格点，其中，每一个上述这些第一水波格点及上述这些第二水波格点都具有二维坐标；

坐标产生模块，用以根据上述这些第一水波格点的该二维坐标产生相对应的多个第三维坐标；以及

图形产生模块，用以根据上述这些第三维坐标及上述这些第二水波格点的二维坐标产生该水面。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于该坐标产生模块还用以根据物体顶点二维世界坐标产生该物体顶点对应水的高度的物体顶点第三维世界坐标，其中该物体顶点二维世界坐标是根据物体顶点二维坐标通过顶点遮影技术转换而来。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于该图形产生模块还用以根据该物体顶点二维世界坐标以及该物体顶点第三维世界坐标以及物体顶点高度坐标产生折射图及反射图，以及根据该折射图、该反射图、上述这些第三维坐标及上述这些第二水波格点的二维坐标产生水面影像，其中该物体顶点高度坐标通过顶点遮影技术转换而来。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于该第一产生模块包含：

摄取模块，用以摄取每一个上述这些水波映射图上的该可视范围周围的多个第一参考点，及摄取该合成水波映射图上的该可视范围周围的多个第二参考点；以及

格点产生模块，用以根据上述这些第一参考点产生上述这些第一水波格点，以及根据上述这些第二参考点产生上述这些第二水波格点。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于上述这些第一参考点及上述这些第二参考点为该可视范围的顶点。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于上述这些水波映射图为正弦波图、余弦波图及快速傅利叶波图中的一个或组合。

7.一种绘制水面的方法，包含下列步骤：

合成多个水波映射图以得到合成水波映射图；

在每一个上述这些水波映射图的可视范围内产生多个第一水波格点，其中每一个上述这些第一水波格点具有二维坐标；

在该合成水波映射图上的该可视范围内产生多个第二水波格点，其中上述这些第二水波格点都具有二维坐标；

根据上述这些第一水波格点的该二维坐标产生相对应的多个第三维坐标；以及

根据上述这些第三维坐标及上述这些第二水波格点的该二维坐标产生该水面。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于该产生上述这些第三维坐标步骤还根据物体顶点二维世界坐标产生该物体顶点对应水的高度的物体顶点第三维世界坐标，其中该物体顶点二维世界坐标是根据物体顶点二维坐标通过顶点遮影技术转换而来。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于该水面产生步骤还根据该物体顶点二维世界坐标、该物体顶点第三维世界坐标及物体顶点高度坐标产生折射图及反射图，其中该物体顶点高度坐标通过顶点遮影技术转换而来。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于该水面产生步骤还根据该折射图、该反射图、上述这些第三维坐标及上述这些第二水波格点的该二维坐标产生该水面影像。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于该第一水波格点产生步骤包含下列步骤：

摄取每一个上述这些水波映射图上的该可视范围周围的多个第一参考点；以及

根据上述这些第一参考点产生上述这些第一水波格点。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于该第二水波格点产生步骤包含下列步骤：

摄取该合成水波映射图上的该可视范围周围的多个第二参考点；以及

根据上述这些第二参考点产生上述这些第二水波格点。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于上述这些第一参考点为该可视范围的顶点。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于上述这些第二参考点为该可视范围的顶点。

15.根据权利要求7所述的方法，其特征在于上述这些水波映射图为正弦波图、余弦波图及快速傅利叶波图中的一个或组合。

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