CN103700143A - 一种基于gpu多遍绘制的三维动态海洋模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于GPU多遍绘制的三维动态海洋模拟方法，通过使用多个GPU绘制通道并利用OpenGL顶点缓冲区对象和transform feedback技术，使用应用程序对顶点信息进行一次性输入，在GPU中完成顶点的计算、迭代、组装、渲染。本发明充分利用的GPU的强大并行计算能力，在保证海洋表面模拟的效果的同时，大大提高了模拟程序的运行效率和实时性。

Description

一种基于GPU多遍绘制的三维动态海洋模拟方法

技术领域

本发明涉及一种数据处理方法，尤其是涉及一种基于GPU多遍绘制的三维动态海洋模拟方法。

背景技术

近年来真实感自然景物的模拟成为了计算机图形学领域研究的热点和难点，它是利用计算机技术来寻求能准确地描述客观世界中各种现象与景观的数学模型，并逼真地再现这些现象与景观。从科学的角度上来看，真实感自然景物的实时建模与绘制是其难点所在，因为包括上述在内的很多自然现象难以用准确的几何模型来描述，这在很大程度上增加了自然景物模拟的难度。而其中对于海浪的模拟是最为复杂的，主要表现为：

(1)海平面相当广阔，并且海水水体的形状是随机的、动态的，且极其不规则，因此不能用静态的几何多边形表示，每一帧都必须更新；

(2)海浪运动十分复杂，它的产生要满足一定的条件，它在流动过程中要受到多种力的作用，且有很大的随机性；

(3)海水表面的颜色很大程度上取决于光的反射和折射，它们的比例会由于视点的位置不同而不同；

这些特殊性增加了海浪模拟的难度，同时也使海浪模拟更具有挑战性。使用计算机进行海浪模拟开始于上世纪80年代初期。但是早期的研究工作主要是为了追求形状上相似，而忽视了波浪内在的物理规律，再加上当时的硬件水平有限，所以渲染一帧画面需要很长的时间，只适合于制作静态的图像。1990年SIGGRAPH(计算机图像图形专业组织)会议上，Apple公司提出利用计算流体动力学中的成果来模拟波浪动画的方法，这使得海浪模拟的应用更加广泛。随着计算机图形硬件的发展，到上世纪90年代，海浪模拟进入飞速发展阶段，国内外有很多的机构和大学都致力于海浪仿真的研究，如：斯坦福大学，Rutgers大学的计算科学CBIM中心，美国的加利佛尼亚大学、apple公司、浙江大学CG&CAD国家重点实验室等。自2000年起，SIGGRAPH将自然景物水的模拟作为一个主要研究点单独列出来，通过不断的研究，人们制作出来的波浪在实时性和真实感方面都了较大的突破，但是在效果、效率和之间，依然难以找到一个平衡点。

现有技术存在以下问题：

(1)由于海洋表面几何形状复杂，海浪运动十分复杂，目前一般采用基于纹理融合或层次动画的方法来模拟，前一种方法采用二维纹理图像表示三维形态，无法表现海洋波浪的三维几何形态，后一种方法采用建立三维帧动画的方法，在不同的时间播放不同的帧动画，模拟海水的运动，这种方法实时性和交互性非常差；

(2)目前采用GPU模拟海洋方法一般采用CPU建模，GPU绘制的架构，这种架构瓶颈在于CPU建模阶段，其计算时间长，需要计算的顶点多，在模拟大范围，高层次细节的海洋时，效率极差，无法满足需求；

（3）海洋模拟过程中一般采用快速傅里叶算法生成海洋表面顶点，利用其周期性，模拟海洋的表面起伏。该方法所生成的海洋表面过于平滑，难以表现海浪之间挤压碰撞所生成的尖波。

发明内容

本发明的目的在于：

1、本发明专利采用模拟海洋表面一次性顶点输入，在GPU中处理模拟海洋表面顶点和几何体，快速完成海洋表面建模；同时，以顶点对象缓冲区作为海洋模拟GPU运算和应用程序的纽带，完成应用程序与GPU绘制运算之间的交互；解决了海洋模拟中实时性和交互性问题。

2、采用基于GPU多遍绘制的方法，创建海洋模拟的计算遍和绘制遍，将海洋模拟的几何建模及绘制显示放到GPU中进行，充分利用GPU强大的并行计算能力，解决了海洋模拟中，大范围、高细节的海洋模拟绘制效率低下的问题。

3、在GPU绘制遍中，采用基于快速傅里叶变换的顶点生成方法生成海洋模拟的所需的顶点，并采用基于偏移向量的方法对顶点的位置进行修正，在不影响绘制效率的前提下，解决了快速傅里叶算法所生成海洋顶点过于圆润，难以表现海浪之间挤压碰撞所生成的尖波的现象。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种基于GPU多遍绘制的三维动态海洋模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）通过建立GPU一直变量和使用顶点数组将顶点数据及绘制控制数据输入到GPU绘制通道中；

（2）GPU绘制通道设有三个渲染通道和两个顶点缓冲区，三个渲染通道分别定义为Pass1、Pass2和Pass3，两个顶点缓冲区分别定义为VBO1和VBO2，Pass1绑定VBO1作为输出对象，Pass2绑定VBO2作为输出对象，Pass1、Pass2采用乒乓模式互为输入输出，VBO1和VBO2均作为Pass3的输入对象；在Pass1和Pass2中采用基于向量偏移的快速傅里叶算法对输入的顶点数据进行计算和修改；

（3）Pass3读取VBO1和VBO2中的数据，判读数据是否是最新且可用的数据，如果判断满足，则进行步骤（4），否则返回继续等待；

（4）Pass3中的图元着色器完成对顶点数据的组装，形成海洋表面数据，并将数据输入到片元着色器，片元着色器对海洋表面颜色、文理、材质、光照进行融合和混合计算，然后将绘制数据输出到显示设备。

步骤（1）中所述的顶点数据包括海面的长宽、波峰、波谷、纹理、材质、光照灯信息，所述的绘制控制数据包括海洋表面的模拟精度等级、风速、风向。

步骤(2)中所述的在Pass1和Pass2中采用基于向量偏移的快速傅里叶算法对输入的顶点数据进行计算和修改为：

Pass1接收顶点数据及绘制控制数据，在Pass1的顶点着色器中，采用基于海浪谱的FFT的方法来对输入顶点进行计算和修改，对于海浪的生成采用如下公式

$h(x,y,t)=\underset{\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\mathrm{dk}}_x{\mathrm{dk}}_y\stackrel{\‾}{h}(\stackrel{\→}{k},t)\exp \left\{i(k_x+k_{y}y)\right\}$            (公式1)

           （公式2）

               （公式3）

（公式1）是海洋频谱的计算式，（公式2）是海洋频谱的时间传播式，（公式3）是海浪的弥散关系方程，h(x,y,z)为海浪高度；海面高度场在以上公式的基础上，利用离散Fourier变换将其转换为离散形式，公式如下：

$\stackrel{\‾}{h}(x,t)=\underset{n=N/2-1}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=M/2-1}{\overset{M/2-1}{\mathrm{\Σ}}}\left({\stackrel{\‾}{h}}_0\left(\stackrel{\→}{k}\right)\exp \right\{-i{\mathrm{\ω}}_0\left(\stackrel{\→}{k}\right)t\}+{\stackrel{\‾}{h}}_0(-\stackrel{\→}{k})\mathrm{expexp}\{{\mathrm{i\ω}}_0\left(\stackrel{\→}{k}\right)t$     （公式4）

表示画面上某一点x＝(x,y)在时间t时间的瞬时波高，其中是二维海面波浪向量，

k_x＝2πm/L_X，k_Y＝2πm/L_y，L_X×L_y为仿真海域的大小，n和m为整数，-N/2≤n≤N/2，-M/2≤m≤M/2，N和M是Fourier顶点等分点，必须使2的幂次方；经过Fourier变换后，可以得到海平面离散点x＝(nL_x/N,mL_y/M)上的高度；通过以上公式对海面上海浪高度以及海面高度场进行计算，完成对海面三维顶点数据的计算和更新，同时在顶点着色器中，完成顶点着色，法向坐标生成，纹理坐标生成；

Pass2的处理与pass1类似，只是pass2的输入对象为VBO1，输出对象为VBO2，该渲染通道在pass1的计算结果上，继续进行计算更新，与pass1形成迭代循环，保证数据的延续行和一致性；采用transform feedback技术，实现Pass1与Pass2之间输入输出的转换。

步骤(4)具体为：在Pass3的顶点着色器中采用公式

对海面顶点进行差值修正；然后在图元着色器中采用点绘制与图元生成分离的模式完成对顶点数据的组装形成海洋表面数据，并将数据输入到片元着色器；最后在片元着色器中实现对海洋表面颜色、纹理、材质、光照的融合和混合计算。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、充分利用GPU的浮点计算能力，在GPU中完成海洋表面的计算、迭代、更新，从而在保证海洋模拟的速率和实时性的同时，大大提高了海洋模拟范围和逼真度。

2、采用乒乓绘制模式，以顶点缓冲区对象为中间件，完成GPU绘制通道之间及绘制通道与应用程序之间的交互，能实时修改海洋模拟的各个因子或要素。

3、采用基于GPU的快速傅里叶算法完成海洋顶点网格的生成，同时以挤压波向量公式对顶点进行修正，在完成大范围海洋绘制的同时，细致的展现海洋表面的运动细节，极大的增强海洋模拟的真实性。

附图说明

图1为本发明的模拟方法流程图；

图2为经快速傅里叶算法生成海洋表面效果图；

图3为对快速傅里叶算法生成的顶点进行修正后的海洋表面效果图；

图4为经Pass3处理后海洋表面叠加光照、纹理、颜色后的海洋表面效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明通过使用显卡的绘制通道及GPU强大的浮点运算能力，运用OpenGLTransform Feedback技术及顶点缓冲区对象完成海洋模拟顶点的计算和迭代，并采用快速傅里叶算法，在GPU顶点着色器中实时计算和修改海洋表面顶点，在图元着色器中对海洋表面进行由点到面的组装。最后在片元着色器中完成图形的绘制和颜色的混合，动态、实时、快速的建立三维海洋表面并进行渲染。本发明的方法步骤如图1所示，具体包括以下步骤：

1、顶点信息及绘制控制数据一次性输入

本阶段是应用程序对海面绘制的初始化，通过定义海面的长宽，波峰、波谷、纹理、材质、光照灯信息定义海洋表面的属性，同时定义海洋表面的模拟精度等级、风速、风向等海洋表面状态控制信息来体现海洋表面的细节。通过建立GPU一直变量和使用顶点数组将这些一次性变量从应用程序传递到GPU绘制通道中。

2、建立渲染通道

渲染通道是指完成一次渲染所经过的所有流程，在以往的应用中渲染通道往往针对某一个三维模型或者图元进行效果叠加，以达到逼真的效果。本发明专利建立三个渲染通道，分别为Pass1、Pass2、Pass3，Pass1、Pass2利用渲染通道的重复使用性，采用乒乓模式互为输入输出，建立顶点缓冲区对象VBO1及VBO2，以顶点缓冲区为中间件存储渲染通道的运行结果，完成顶点的迭代和更新，Pass1、Pass2在进入片元着色器之前结束，并不渲染，只进行数据迭代和更新。顶点缓冲区同时作为pass3的输入对象，在pass3中完成由顶点到图元的组装及渲染。

3、设置渲染通道Pass1和Pass2及对用的顶点对象缓冲区为后续工作做准备，Pass1与Pass2绑定顶点缓冲区对象，使用顶点缓冲区对象作为Pass1与Pass2的输出对象，以上两个渲染通道在顶点数据进入片元着色器之前输出数据，结束本次渲染。

4、设定Pass1,Pass2与Pass3之间的输入输出关系，设定Pass1与Pass2绑定的顶点缓冲区对象为Pass3的输入对象，设置Pass3使用图元着色器（GeometrayShader）。

5、设定Pass1与Pass2中的顶点计算及修改方法

Pass1处理，Pass1从应用程序中接受一次性的顶点数据输入和控制信息输入，在pass1的顶点着色器中，采用基于海浪谱的FFT(快速Fourier变换)的方法来对输入顶点进行计算和修改，对于海浪的生成采用如下公式

$h(x,y,t)=\underset{\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\mathrm{dk}}_x{\mathrm{dk}}_y\stackrel{\‾}{h}(\stackrel{\→}{k},t)\exp \left\{i(k_x+k_{y}y)\right\}$          (公式1)

        （公式2）

             （公式3）

具体的各个参数的意义将在下面详细说明。其中，（公式1）是海洋频谱的计算式，（公式2）是海洋频谱的时间传播式，（公式3）是海浪的弥散关系方程，h(x,y,z)为海浪高度。海面高度场在以上公式的基础上，利用离散Fourier变换将其转换为离散形式，公式如下：

$\stackrel{\‾}{h}(x,t)=\underset{n=N/2-1}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=M/2-1}{\overset{M/2-1}{\mathrm{\Σ}}}\left({\stackrel{\‾}{h}}_0\left(\stackrel{\→}{k}\right)\exp \right\{-i{\mathrm{\ω}}_0\left(\stackrel{\→}{k}\right)t\}+{\stackrel{\‾}{h}}_0(-\stackrel{\→}{k})\mathrm{expexp}\{{\mathrm{i\ω}}_0\left(\stackrel{\→}{k}\right)t$     （公式4）

表示画面上某一点x＝(x,y)在时间t时间的瞬时波高，其中

是二维海面波浪向量，

k_x＝2πm/L_X,k_Y＝2πm/L_y，L_X×L_y为仿真海域的大小，n和m为整数，-N/2≤n≤N/2,-M/2≤m≤M/2，N和M是Fourier顶点等分点，必须使2的幂次方。经过快速Fourier变换后，可以得到海平面离散点x＝(nL_x/N,mL_y/M)上的高度。

通过以上公式对海面上海浪高度以及海面高度场进行计算，完成对海面三维顶点数据的计算和更新。同时在顶点着色器中，完成顶点着色，法向坐标生成，纹理坐标生成。

Pass2的处理与pass1类似，只是pass2的输入对象为VBO1，输出对象为VBO2，该渲染通道在pass1的计算结果上，继续进行计算更新，与pass1形成迭代循环。保证数据的延续行和一致性。

6、采用transform feedback技术，实现Pass1与Pass2之间输入输出的转换，Pass1绑定顶点缓冲区对象VBO1，在顶点处理完成之后绘制数据进入片元着色器之前，结束本次渲染并将顶点数据保存到顶点缓冲区对象中。在顶点着色器中设置bool型一致变量uniform bool contorlFlag，该变量控制接收应用程序的一次性顶点输入，在完成接收一次性顶点信息输入后，通过检测该控制变量的状态，决定是否切换输入为顶点缓冲区对象VBO2。对于Pass2的变换回调，将直接是用Pass1的顶点缓冲区对象VBO1设为其输入，将VBO2设定为变换回调输出。

7、Pass3处理流程

Pass3是实际用于绘制海洋表面的绘制渲染通道，设置Pass3的输入为VBO1和VBO2通过判断数据的时间标志来判断最近的顶点数据，使用最新的顶点数据完成海洋表面的绘制。由于使用快速傅里叶变换所产生的海洋表面过于圆润，如图2所示，不能完全表达海浪之间的挤压和尖波，因此在Pass3的顶点着色器中采用如下公式对，对海面顶点进行差值修正，

$D(x,t)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}-i\frac{\stackrel{\→}{k}}{\left|\stackrel{\→}{k}\right|}\stackrel{\‾}{h}(\stackrel{\→}{k},t)\exp (i\stackrel{\→}{k},x)$

在原来高度场上加上这个向量场，水平面各顶点X的位置就编程了x+λD(x,t)（其中λ为比例系数），顶点的高度不变。λ用来调节水平位移向量的大小，这个值越大，波峰将越尖锐，波谷越平坦。Pass3启用Geometry shader(图元着色器)，pass3的顶点着色器中读取VBO中的顶点数据，在图元着色器中，为了使图元处理的并行性不会使得使得这些图元内的顶点丧失并行性，采用点绘制与图元生成分离的模式，减少显存的使用，提高图元着色器的使用效率。经对快速傅里叶算法生成的顶点进行修正后的海洋表面效果如图3所示。

8、实现海洋表面模拟由点到面的转化，Pass3进入绘制流程之后，在图元着色器（Geometray Shader）完成对顶点数据的组装，形成海洋表面数据，并将数据输入到片元着色器（Fragment Shader）。

9、采用线性查找、纹理采样融合、颜色混合等手段为海洋表面添加颜色、光照、纹理，Pass3进入片元着色器之后，在片元着色器中实现对海洋表面颜色、纹理、材质、光照等的融合和混合计算，处理后的海洋表面效果如图4所示。

10、图元着色器处理完成之后，将绘制结果保存到三维显示对象，最后将数据输出到显示设备。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于GPU多遍绘制的三维动态海洋模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）通过建立GPU一直变量和使用顶点数组将顶点数据及绘制控制数据输入到GPU绘制通道中；

（2）GPU绘制通道设有三个渲染通道和两个顶点缓冲区，三个渲染通道分别定义为Pass1、Pass2和Pass3，两个顶点缓冲区分别定义为VBO1和VBO2，Pass1绑定VBO1作为输出对象，Pass2绑定VBO2作为输出对象，Pass1、Pass2采用乒乓模式互为输入输出，VBO1和VBO2均作为Pass3的输入对象；在Pass1和Pass2中采用基于向量偏移的快速傅里叶算法对输入的顶点数据进行计算和修改；

（3）Pass3读取VBO1和VBO2中的数据，判读数据是否是最新且可用的数据，如果判断满足，则进行步骤（4），否则返回继续等待；

（4）Pass3中的图元着色器完成对顶点数据的组装，形成海洋表面数据，并将数据输入到片元着色器，片元着色器对海洋表面颜色、文理、材质、光照进行融合和混合计算，然后将绘制数据输出到显示设备。

2.根据权利要求1所述的一种基于GPU多遍绘制的三维动态海洋模拟方法，其特征在于，步骤（1）中所述的顶点数据包括海面的长宽、波峰、波谷、纹理、材质、光照灯信息，所述的绘制控制数据包括海洋表面的模拟精度等级、风速、风向。

3.根据权利要求1所述的一种基于GPU多遍绘制的三维动态海洋模拟方法，其特征在于，步骤(2)中所述的在Pass1和Pass2中采用基于向量偏移的快速傅里叶算法对输入的顶点数据进行计算和修改为：

Pass1接收顶点数据及绘制控制数据，在Pass1的顶点着色器中，采用基于海浪谱的FFT的方法来对输入顶点进行计算和修改，对于海浪的生成采用如下公式

$h(x,y,t)=\underset{\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\mathrm{dk}}_x{\mathrm{dk}}_y\stackrel{\‾}{h}(\stackrel{\→}{k},t)\exp \left\{i(k_x+k_{y}y)\right\}$             (公式1)

      （公式2）

                    （公式3）

（公式1）是海洋频谱的计算式，（公式2）是海洋频谱的时间传播式，（公式3）是海浪的弥散关系方程，h(x,y,z)为海浪高度；海面高度场在以上公式的基础上，利用离散Fourier变换将其转换为离散形式，公式如下：

$\stackrel{\‾}{h}(x,t)=\underset{n=N/2-1}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=M/2-1}{\overset{M/2-1}{\mathrm{\Σ}}}\left({\stackrel{\‾}{h}}_0\left(\stackrel{\→}{k}\right)\exp \right\{-i{\mathrm{\ω}}_0\left(\stackrel{\→}{k}\right)t\}+{\stackrel{\‾}{h}}_0(-\stackrel{\→}{k})\mathrm{expexp}\{{\mathrm{i\ω}}_0\left(\stackrel{\→}{k}\right)t$      （公式4）

表示画面上某一点x＝(x,y)在时间t时间的瞬时波高，其中

是二维海面波浪向量，

k_x＝2πm/L_X，k_Y＝2πm/L_y，L_X×L_y为仿真海域的大小，n和m为整数，-N/2≤n≤N/2，-M/2≤m≤M/2，N和M是Fourier顶点等分点，必须使2的幂次方；经过Fourier变换后，可以得到海平面离散点x＝(nL_x/N,mL_y/M)上的高度；通过以上公式对海面上海浪高度以及海面高度场进行计算，完成对海面三维顶点数据的计算和更新，同时在顶点着色器中，完成顶点着色，法向坐标生成，纹理坐标生成；

Pass2的处理与pass1类似，只是pass2的输入对象为VBO1，输出对象为VBO2，该渲染通道在pass1的计算结果上，继续进行计算更新，与pass1形成迭代循环，保证数据的延续行和一致性；采用transform feedback技术，实现Pass1与Pass2之间输入输出的转换。

4.根据权利要求1所述的一种基于GPU多遍绘制的三维动态海洋模拟方法，其特征在于，步骤(4)具体为：在Pass3的顶点着色器中采用公式

对海面顶点进行差值修正；然后在图元着色器中采用点绘制与图元生成分离的模式完成对顶点数据的组装形成海洋表面数据，并将数据输入到片元着色器；最后在片元着色器中实现对海洋表面颜色、纹理、材质、光照的融合和混合计算。

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