CN107292961A - 一种实现三维场景中地球海洋水效的方法 - Google Patents

Abstract

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。与现有技术相比，本发明具有能够精确模拟海浪效果、高度拟真等优点。

Description

一种实现三维场景中地球海洋水效的方法

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)

其中k_a、k_d、k_s分别为材质对环境光、漫反射光、镜面光的反射参数，与物体的表面材质有关，角度i为顶点法线与光线方向夹角，θ为光线的反射方向与视线方向的夹角，I_pa为环境光光强。

与现有技术相比，本发明具有能够精确模拟海浪效果、高度拟真等优点。

附图说明

图1为与本发明某一实施例一致的图片分割创建四叉树示意图；

图2为与本发明某一实施例一致的影像图片文理坐标示意图；

图3为与本发明某一实施例一致的法矢量文理图；

图4为与本发明某一实施例一致的海域标记图。

具体实施例

本发明的具体实现如下。

1)标记图层的建立。

在全球影像中，将海洋区域的像素值或者图像apha通道的apha值置为1，对应的陆地区域apha值置为0。以带海洋标记的全球影像为蓝本，创建标记图层，实现对标记图的瓦片切割，进而让其作为一个图层在地球场景显示时进行调度。创建瓦片过程为对标记影像采用如图1所示方式的一分四的形式创建四叉树，其中左侧为对一幅图像进行四分示意过程，右侧为对图像进行逐层四分所产生的四叉树结构，调度时根据瓦片层级以及位置利用生成的四叉树来调用不同位置的瓦片到场景中进行显示。

初始化球面数据后，将选取的任意图添加坐标参考后作为一个图层加载在场景中，本发明中以图4作为图层，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。在根据场景调度过程中随其他图层一致实现对标记图的瓦片切割。

2)海浪纹理的生产及加载。

Shader着色技术实现水效为通过绑定特定纹理照片并让纹理图片朝不同方向移动即可表现出波浪效果，将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。

图3显示了采用上式生成的一种海浪纹理矢量图。

3)顶点着色器顶点变换

在渲染地球模型时，传入GPU端的数据为椭球形顶点数据，其对应着全球纹理坐标存在墨卡托投影式，由于标记图像的精度，海域的标识并不准确，因此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，如附图2所示，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可以实现海浪波动的效果，改变设置纹理坐标的变化幅度speed来达到设置纹理移动的速度来模拟水流速度，设置旋转角α(α取0-2π)来控制纹理的旋转以模拟水流方向，因此，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。

例如，在渲染地球模型时，传入GPU端的渲染实体数据采用球面投影解算其粗略经纬坐标值，再以经纬度都为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，以经纬度计算顶点距离起始点的卯酉圈距离作为U轴的坐标，以及子午线长度作为V轴的坐标作为顶点像素的纹理坐标传给片元着色，再通过每帧改变法矢纹理的纹理坐标值可以实现海浪波动的效果，改变设置纹理坐标的变化幅度speed(可作为参数传入，默认取5)来达到设置纹理移动的速度来模拟水流速度，设置旋转角α(取0表示正东方向)

α(α取0表示向东示向)。

4片元着色器像素着色

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得指定位置。顶点的颜色确定主要有纹理采样器获取纹理的颜色或者直接赋取确定的颜色值，若有必要可继续添加光照系统对颜色进行修改。

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，该融合阶段实现了对地形多图层纹理的融合，获取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。

光照模型采用较为常用的Phong光照模型，该模型由两部分组成，一是环境反射，二是漫反射与镜面反射，漫反射分量和镜面反射分量则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)

其中k_a、k_d、k_s分别为材质对环境光、漫反射光、镜面光的反射参数，与物体的表面材质有关，角度i为顶点法线与光线方向夹角，θ为光线的反射方向与视线方向的夹角，I_pa为环境光光强。根据点的法矢按照Phong光照模型计算反射光以及漫反射光分量，与背景色叠加形成该点像素的颜色。

进行光照变换的当前像素所需的法矢量通过由第二步生成的法矢纹理图，使用纹理采样器根据纹理坐标获取其颜色值归一化后作为当前点的法矢。由于每帧所对应的纹理坐标不一样，变现出当前屏幕颜色的改变而具有海浪的效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一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。

2.如权利要求1所述实现三维场景中地球海洋水效的方法，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。

3.如权利要求1所述所述实现三维场景中地球海洋水效的方法，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。

4.如权利要求3所述所述实现三维场景中地球海洋水效的方法，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，

<mrow> <mi>y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </munderover> <msub> <mi>a</mi> <mi>n</mi> </msub> <mi>cos</mi> <mi> </mi> <mi>n</mi> <mi>k</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>-</mo> <mi>c</mi> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

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。

5.如权利要求1所述实现三维场景中地球海洋水效的方法，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。

6.如权利要求1所述实现三维场景中地球海洋水效的方法，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。

7.如权利要求1所述实现三维场景中地球海洋水效的方法，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。

8.如权利要求7所述实现三维场景中地球海洋水效的方法，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_dcosi+k_scosⁿθ)

其中k_a、k_d、k_s分别为材质对环境光、漫反射光、镜面光的反射参数，与物体的表面材质有关，角度i为顶点法线与光线方向夹角，θ为光线的反射方向与视线方向的夹角，I_pa为环境光光强。