CN102402792B - 一种实时浅水模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供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；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。

Description

一种实时浅水模拟方法

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；

对水平面以下的物体的初始反射纹理效果图进行裁剪，获得水平面以下的物体的修正反射纹理效果图；

将所述水平面以下的物体的反射纹理效果图及水平面以下的物体的修正反射纹理效果保存到显卡的纹理中，获得模拟水波的反射效果纹理图。

优选的，所述创建折射纹理，获得模拟水波的折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折射纹理效果图；

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

对水平面以下的物体的初始折射纹理效果图进行裁剪，获得水平面以下的物体的修正折射纹理效果图；

将所述水平面以下的物体的折射纹理效果图及水平面以下的物体的修正折射纹理效果保存到显卡的纹理中，获得模拟水波的折射效果纹理图。

优选的，所述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的步骤，包括：

创建扭曲贴图，获得扭曲贴图；

采用扭曲贴图的方式在渲染场景中加入了静态的水波；

根据基本运动及波的扭曲运动对纹理坐标的偏移值进行计算，获得纹理坐标的偏移值；依据纹理坐标的偏移值，将渲染场景中的静态的水波转换成动态的水波，获得模拟的水波的实时波动效果图；

其中，所述基本运动用于产生波或流的方向上的运动，所述波的扭曲运动用于扭曲基本运动。

优选的，所述创建扭曲贴图，获得扭曲贴图的步骤，包括：

创建法线，获得法线图像；

对所述法线图像采用高斯模糊方式，获得扭曲贴图。

优选的，所述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的步骤，包括：

按照菲涅尔公式进行计算，获得模拟水波的初始菲涅尔因子；

结合水波的反射纹理及折射纹理对模拟水波的初始菲涅尔因子进行修正，获得模拟水波的修正后的菲涅尔因子；

建立不同的模拟水波的修正后的菲涅尔因子与水波波动效果大小的对应关系；

依据计算得到的不同的修正后的菲涅尔因子，获得不同大小的水波波动效果；

追踪并记录不同大小的水波波动效果，获得模拟的水波的实时波动效果图。

优选的，所述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的步骤，包括：

通过计算光照因子来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。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出了一个简单而实时的浅水模拟方法。该方法基于渲染到纹理、法线贴图和扭曲贴图等方法，通过把法线贴图绘制到一个平的四边形上，随时间扭曲法线贴图来模拟波的样式，实现更容易，计算更快，可以缩短动画的渲染时间，适合透明浅水绘制的需要。

总之，本发明提供了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。

附图说明

图1是本发明一种实时浅水模拟方法实施例的步骤流程图；

图2是本发明中的创建反射纹理示意图；

图3是本发明中的算法流程步骤图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的核心思想之一是提供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；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。

逼真的渲染需要的水面的光学特性。第一个光学效果是环境在水中的反射。水面像一个大的镜子。反射不是稳定的和清除的，被表面的扰动所扭曲。另外，通过水体向地面看的时候，折射效果变的很明显。当光透过两种不同密度的介质的边界，因为光速差，光将改变方向。折射将扭曲水面下的所有物体的图像。光有时被水面反射而有时通过水体传播。水面上特定点的反射和传播的光的比率是由很多因素决定的。最重要的是观察者与表面的角度。当直向下看水的时候，观察角很大，水面完全透明，没有反射。当从一定距离看水面的时候，观察角度变的很小，反射增加。直到水面变的完全不透明，这个光学属性称为菲涅尔效果(Fresnel Effect)。本发明仅仅需要小的计算量就可以实现水的反射，折射，波动等效果。

参照图1，示出了本发明一种实时浅水模拟方法实施例的步骤流程图，具体可以包括：

步骤101、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。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，在本发明的一个优选实施例中，所述步骤101，具体可以包括：

子步骤A1、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。

子步骤A2、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。

其中，所述子步骤A2具体可以包括：

子步骤B1、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。

其中，所述子步骤B1具体可以包括：

子步骤C1、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。

子步骤C2、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。

子步骤C3、对水平面以下的物体的初始反射纹理效果图进行裁剪，获得水平面以下的物体的修正反射纹理效果图。

子步骤C4、将所述水平面以下的物体的反射纹理效果图及水平面以下的物体的修正反射纹理效果保存到显卡的纹理中，获得模拟水波的反射效果纹理图。

为了使普通技术人员更好地理解本发明，下面详细介绍创建反射纹理的过程，具体如下所述：

使用渲染到纹理技术模拟反射效果。目前创建反射纹理的方法是基于大的波浪，因此需要环境映射来保证正确的反射，而本发明只是根据水平面翻转相机，再把渲染的图像保存在显卡的纹理中。因为只需要渲染水平面以上的物体，所以使用裁剪平面，这样可以提高速度而且避免走样。

参照图2，示出了本发明中的创建反射纹理示意图。

从图2中可以看出：创建反射纹理的原理。

子步骤B2、创建折射纹理，获得模拟水波的折射效果纹理图。

其中，所述子步骤B2具体可以包括：

子步骤D1、渲染水平面以上的物体，获得水平面以上的物体的折射纹理效果图。

子步骤D2、根据水面面以上的物体的折射纹理效果图翻转相机，获得水平面以下的物体的初始折射纹理效果图。

子步骤D3、对水平面以下的物体的初始折射纹理效果图进行裁剪，获得水平面以下的物体的修正折射纹理效果图。

子步骤D4、将所述水平面以下的物体的折射纹理效果图及水平面以下的物体的修正折射纹理效果保存到显卡的纹理中，获得模拟水波的折射效果纹理图。

为了使普通技术人员更好地理解本发明，下面详细介绍创建折射纹理的过程，具体如下所述：

用渲染到纹理技术模拟折射效果，水面折射效果如下图所示。在正常的视点位置，结合使用裁剪平面，把水平面以下的物体渲染到折射纹理中。

子步骤B3、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。

子步骤A3、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。

其中，所述子步骤A3具体可以包括：

子步骤E1、创建扭曲贴图，获得扭曲贴图。

其中，所述子步骤E1具体可以包括：

子步骤F1、创建法线，获得法线图像。

子步骤F2、对所述法线图像采用高斯模糊方式，获得扭曲贴图。

子步骤E2、采用扭曲贴图的方式在渲染场景中加入了静态的水波。

子步骤E3、根据基本运动及波的扭曲运动对纹理坐标的偏移值进行计算，获得纹理坐标的偏移值；

其中，所述基本运动用于产生波或流的方向上的运动，所述波的扭曲运动用于扭曲基本运动。

子步骤E4、依据纹理坐标的偏移值，将渲染场景中的静态的水波转换成动态的水波，获得模拟的水波的实时波动效果图。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，在本发明的另一个优选实施例中，所述子步骤A3，具体可以包括：

子步骤G1、按照菲涅尔公式进行计算，获得模拟水波的初始菲涅尔因子。

子步骤G2、结合水波的反射纹理及折射纹理对模拟水波的初始菲涅尔因子进行修正，获得模拟水波的修正后的菲涅尔因子。

子步骤G3、建立不同的模拟水波的修正后的菲涅尔因子与水波波动效果大小的对应关系。

子步骤G4、依据计算得到的不同的修正后的菲涅尔因子，获得不同大小的水波波动效果。

子步骤G5、追踪并记录不同大小的水波波动效果，获得模拟的水波的实时波动效果图。

为了使普通技术人员更好地理解本发明，下面详细介绍水波的生成过程，具体如下所述：

扭曲贴图也称为纹理贴图坐标偏移映射，是基于法线贴图的差分，用来在片元程序中为某一像素做纹理查询时偏移纹理的纹理坐标，通常使用水的法线贴图来创建扭曲贴图。在创建反射纹理和折射纹理的基础上，通过扭曲贴图纹理查询应用偏移实现波的效果。查询纹理用于计算折射光在水面上的弯曲度，这意味着原来水纹理的高波，在法线贴图的三个坐标中引起高的变化，而这在扭曲贴图的同样坐标处将产生高的值，这样就创建了一个和原始水纹理一致的偏移。

使用扭曲贴图在场景中加入了静态的波后，还需要使波动起来。为了实现波动效果，需要生成两个运动：基本运动和波的扭曲。基本运动用于产生波或流的方向，是一个方向向量乘以时间的结果。波的扭曲用来扭曲基本运动并且增加随机流体运动的感觉，也是一个方向向量，几乎垂直于基本运动向量，这用于扭曲贴图的查询坐标。这两个波组成了描述波运动的偏移。根据这两个运动计算出纹理坐标的偏移值。

另外，为了使扭曲贴图产生更好的波动效果，在创建扭曲贴图之前需生成一个单独的法线图像，应用高斯模糊，再使用这个图像来创建扭曲贴图。

为了使普通技术人员更好地理解本发明，下面详细法线贴图的过程，具体如下所述：

法线贴图是可以应用到三维表面的特殊纹理，不同于以往的纹理只可以用于二维表面。作为凹凸纹理的扩展，它包括了每个像素的高度值，内含许多细节的表面信息，能够在平平无奇的物体上，创建出许多种特殊的立体外形。可以把法线贴图想像成与原表面垂直的点，所有点组成另一个不同的表面。对于视觉效果而言，它的效率比原有的表面更高，若在特定位置上应用光源，可以生成精确的光照方向和反射。对于一个低分辨率的模型，如果想获取更多的细节，可以通过创建法线贴图来和使用逐像素光照等方法来实现，以增强模拟的逼真度。

为了使普通技术人员更好地理解本发明，下面详细菲涅尔效果的实现过程，具体如下所述：

19世纪，法国人菲涅尔在研究光的反射属性时，开发了一套公式用于计算光的属性，可以模拟出逼真的光反射。

在模拟菲涅尔效果公式中，C为最终的颜色；f为菲涅尔因子；为反射纹理的值；为折射纹理的值。

菲涅尔因子计算公式如下：

f＝1-SurfaceNormal*IncidentLightVector

式中：f是菲涅尔因子；SurfaceNormal是水表面的法线向量；IncidentLightVector是反射的光向量。

这两个向量都是经过归一化的，公式中是它们的点积，也就是它们夹角的余弦。当光打在水表面的时候，需要计算反射向量来计算菲涅尔因子。而反射向量的计算需要表面法线。因为该方法的水面是一个平的表面，可以为每个像素使用法线贴图的值来近似计算光反射向量。

参照图3，示出了本发明中的算法流程步骤图，具体如下所述：

1)使用渲染到纹理方法，创建反射纹理；

2)创建折射纹理；

3)使用法线贴图和扭曲贴图，生成波动效果；

4)计算菲涅尔因子，结合反射纹理和折射纹理；

5)计算光照。

在地形上有一个四边形，每一帧，渲染两个个纹理(反射纹理和折射纹理)，然后在shader中，使用法线贴图和扭曲贴图来实现波动效果，再使用正确的方程把所有的纹理加到一起，最后还可以增加镜面光照。

目前，三维技术已经发展成为一门比较成熟的计算机图形学技术，而三维技术中对物体顶点和像素的渲染是最主要的计算，它决了三维图形的真实感。微软在dx8中提出着色器的概念。着色器的特色是基于可编程模式设计，将原来的固定管线分离出可编程的部分。现在着色器从编程角度来说包括几何着色器(Geometry Shader)，顶点着色器(Vertex Shader)，像素着色器(Pixel Shader)。最常用的还是顶点着色器和像素着色器。顶点着色器就是在顶点变换和光照阶段执行的程序，它是针对顶点信息的运算编程器。像素着色器就是在每个像素进行光栅化期间在图形卡的GPU图形处理器上执行的程序，赋予我们直接操每个像素和访问像素纹理的能力，这样可以实现很多特殊效果。

绘制水面四边形的shader代码的伪码，使用hlsl编写，完整代码可以联系作者提供。因为所有的算法都在Pixel Shader中实现，所以只给出Pixel Shader的代码。

步骤102、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。

其中，所述步骤102具体可以包括：

子步骤H1、通过计算光照因子来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。

步骤103、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。

本发明使用GPU图形处理器(shader)实现实时浅水的模拟和渲染，在实时环境中实现水模型，给用户真实水面的感觉，实现对水面逼真而低成本的模拟。

总之，本发明提供了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。

以上对本发明所提供的一种实时浅水模拟方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种实时浅水模拟方法，其特征在于，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；

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；

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；

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；

对水平面以下的物体的初始反射纹理效果图进行裁剪，获得水平面以下的物体的修正反射纹理效果图；

将所述水平面以下的物体的反射纹理效果图及水平面以下的物体的修正反射纹理效果保存到显卡的纹理中，获得模拟水波的反射效果纹理图；

所述创建折射纹理，获得模拟水波的折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折射纹理效果图；

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

对水平面以下的物体的初始折射纹理效果图进行裁剪，获得水平面以下的物体的修正折射纹理效果图；

将所述水平面以下的物体的折射纹理效果图及水平面以下的物体的修正折射纹理效果保存到显卡的纹理中，获得模拟水波的折射效果纹理图；

所述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的步骤，包括：

创建扭曲贴图，获得扭曲贴图；

采用扭曲贴图的方式在渲染场景中加入了静态的水波；

根据基本运动及波的扭曲运动对纹理坐标的偏移值进行计算，获得纹理坐标的偏移值；

依据纹理坐标的偏移值，将渲染场景中的静态的水波转换成动态的水波，获得模拟的水波的实时波动效果图；

其中，所述基本运动用于产生波或流的方向上的运动，所述波的扭曲运动用于扭曲基本运动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述创建扭曲贴图，获得扭曲贴图的步骤，包括：

创建法线，获得法线图像；

对所述法线图像采用高斯模糊方式，获得扭曲贴图。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述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的步骤，包括：

按照菲涅尔公式进行计算，获得模拟水波的初始菲涅尔因子；

结合水波的反射纹理及折射纹理对模拟水波的初始菲涅尔因子进行修正，获得模拟水波的修正后的菲涅尔因子；

建立不同的模拟水波的修正后的菲涅尔因子与水波波动效果大小的对应关系；

依据计算得到的不同的修正后的菲涅尔因子，获得不同大小的水波波动效果；

追踪并记录不同大小的水波波动效果，获得模拟的水波的实时波动效果图。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述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的步骤，包括：

通过计算光照因子来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。

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