CN117292038A - 一种用于海面模型的渲染方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像渲染技术领域，尤其涉及一种用于海面模型的渲染方法、系统、设备及存储介质，所述方法包括：基于二维海平面谱函数构建海面模型，基于投影网格算法构建海平面网格，对近岸海面边界进行重塑，基于光照模型完成海面的光照渲染，基于计算透明度对海浪泡沫进行渲染。本发明能够快速计算海面高度场，并且实现对近岸海面边界的模拟，同时实现海面波浪和海浪泡沫的渲染。

Description

一种用于海面模型的渲染方法、系统、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及图像渲染技术领域，尤其涉及一种用于海面模型的渲染方法、系统、设备及存储介质。

背景技术

混合式海面的模拟可应用于军事中海陆战争的海洋环境，科学测量中的可视化预测，计算机游戏中逼真的游戏画面，影视作品中震撼的海洋场景等等许多方面。海浪的形状是不规则的，对比其他自然景物海浪在时间与空间上表现出不规则性和非重复性，因而显现出其模拟的独特性。海浪的模拟先建立符合真实性的海浪行为模型，在符合绘制实时性等条件下选择合适的建模方法，最后在兼顾计算机硬件处理速度的情况下提高计算效率以及绘制效率。对于海面场景模拟研究人员在模拟的真实性、实时性和细节表现方面进一步的研究与创新。因而海面场景模拟绘制具有重要的意义。

近年来工程领域在虚拟场景中对海洋模拟的需求不断增加，然而在实际模拟过程中更高的真实感与更快的实时性之间是相互制约的，当海面场景仿真模拟的真实感提升的时候需要考虑更多因素，花费足够的时间去计算渲染海面场景，但同时由于复杂的渲染过程计算机的仿真模拟的实时性就会降低；反之若是提升计算渲染的速度，则在海面场景模拟绘制的真实感又会受到制约导致其模拟的真实性下降。此时对于海面场景模拟同时达到一定的真实感与一定的实时性之间的平衡是我们所追求的仿真模拟方法。现有的海面模拟只表现了整体海面的模拟，对于随机风场影响下的海面场景中海浪、光照渲染仿真以及对于动态海面的实时性绘制等模拟效果并不好。

如授权公告号为CN106652007B的专利公开了虚拟海面渲染方法及系统，所述方法包括：确定多种候选渲染处理方式的优先级；其中，每一候选渲染处理方式用于将待渲染的虚拟海面渲染出相应的美术效果；根据各候选渲染处理方式的优先级建立各候选渲染处理方式与移动终端的性能参数之间的映射关系；检测一用于显示待渲染的虚拟海面的预设移动终端的性能参数；根据预设移动终端的性能参数以及映射关系从候选渲染处理方式中确定被选渲染处理方式；以及通过被选渲染处理方式对预设移动终端显示的待渲染的虚拟海面进行渲染。该公开能够根据移动终端的性能参数选择与该性能参数匹配的渲染处理方式，从而显示与移动终端相适宜的美术效果。

如授权公告号为CN115495938B的专利公开了海面波浪的三维动态模拟和可视化方法，所述方法包括以下步骤：S1：获取海面波浪的基本信息；S2：建立海面波浪模型，模拟海面波浪的高程变化；S3：在步骤S2的基础上进一步模拟海面波浪的水平移动；S4：按照需求每隔单位时间渲染输出模拟图像直至模拟结束。采用该发明的方法，能够解决现有技术中缺少对海面波浪的动态模拟和可视化的方案的技术问题，同时实现海面波浪和水流的动态可视化。

以上专利均存在本背景技术提出的问题：对于随机风场影响下的海面场景中海浪、光照渲染仿真以及对于动态海面的实时性绘制等模拟效果并不好；以往的视景系统中由于地形与陆地高程图纹理仅以0和1区分，虽然可以有效区分出海洋和陆地的边界，但边界并不柔和，近岸海浪的效果在于柔和海陆边界，才能使海洋效果更加逼真；通过修改粒子系统中粒子的时间形状函数来实现浪花泡沫形状位置的模拟，得到的模拟画面较为细致，然而在大规模海面场景中其模拟渲染的海浪部分较多，如果使用粒子系统来模拟，那么场景建模的每一帧都需要对大量的粒子进行计算，增加了计算量和CPU的使用率，耗费计算时间比较多，因而实时性差不适用于海浪泡沫的模拟。为了解决这些问题，本申请设计了一种用于海面模型的渲染方法、系统、设备及存储介质。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种用于海面模型的渲染方法、系统、设备及存储介质。

一种用于海面模型的渲染方法，包括以下步骤：

基于二维海平面谱函数构建海面模型；

基于投影网格算法构建海平面网格；

对近岸海面边界进行重塑；

基于光照模型完成海面的光照渲染；

基于计算透明度对海浪泡沫进行渲染。

进一步地，所述基于二维海平面谱函数构建海面模型，包括：

基于全向海谱和传播方向谱计算二维海平面谱函数，计算公式为：

F(K)＝φ(k)×ψ(k,θ)/k，

其中，F(K)表示二维海平面谱函数，ψ(k,θ)表示传播方向谱，φ(k)表示全向海谱，K表示波数向量，θ表示海浪传播主方向，k表示波数；

基于快速傅里叶变换与二维海平面谱函数完成海浪谱频域到时域的转换，生成海面高度场。

进一步地，所述基于投影网格算法构建海平面网格，包括：

在投影空间创建一个规则的网格，并且使得网格置于投影坐标系中；

将创建的网格投影到世界坐标系下的海平面上；

加载世界坐标系下海平面网格顶点的海面高度场；

变换回投影空间，将投影网格的结果置入渲染队列中。

进一步地，所述对近岸海面边界进行重塑，包括：

对海岸波纹进行重塑和对陆海边界网格进行重塑，

其中，所述对海岸波纹进行重塑，包括：

使用余弦函数模拟波浪整体形状，通过对横轴进行挤压产生波峰尖角，选取与海岸距离两个网格的点为波源中心，对于海岸到波源中心海面上的任意一点，通过该点到波源中心的距离计算近岸海浪高度，基于波源中心的扩散效果，在将靠近海岸的海浪波形频率增大，修改为与海岸吻合的波纹，对海岸波纹添加噪音纹理扰动，得到最终的海岸波纹；

所述对陆海边界网格进行重塑，包括：

在海面高度场中另外加一个渲染陆海交界的通道，将纹理划分为不同大小的矩形网格，通过计算矩形网格的极差判断该矩形网格是否在陆海交界处，在陆海边界地方的网格划分精度重塑为之前的十六倍。

进一步地，所述基于光照模型完成海面的光照渲染，包括：

设定单位化后漫反射的光照强度为I_a，计算公式为：

其中，I_m表示表示兰伯特光照模型对方向光进行漫反射的光照强度，T_I表示漫反射光照强度阈值；

设定光照模型总光照强度为I_d，计算公式为：

I_d＝I₀+I_a+I_b，

其中，I₀表示入射光的光照强度，I_b表示单位化后镜面高光反射的光照强度；

将总光照强度与光照角度结合得到光照强度向量；

将光照强度向量与海面贴图颜色混合，完成海面的光照渲染。

进一步地，所述基于计算透明度对海浪泡沫进行渲染，包括：

输入影响海浪泡沫的因素，并判断影响海浪泡沫的因素的权重值，其中所述影响海浪泡沫的因素包括：风力周期，温度以及光照强度；

基于影响海浪泡沫的因素的权重值计算因素阈值β；

若网格顶点的海面高度场大于因素阈值β，则计算海浪泡沫纹理透明度，并进行海面泡沫的渲染，所述海浪泡沫纹理透明度计算公式为：

其中，Tr表示海浪泡沫纹理透明度，η表示经验系数，h表示网格顶点的海面高度场，β_m表示因素阈值的最大值。

一种用于海面模型的渲染系统，包括：

海面网格模块，用于解析网格建模模型的参数，并提供建模所需的数学计算；

海面高度场计算模块，用于计算海面高度场并把计算结果应用到当前的海面网格模型的顶点上；

近岸边界塑造模块，用于模拟波浪整体形状并修改波纹与海岸吻合，并将陆海边界地方的网格进行重塑；

海面光照控制模块，用于基于光照强度、光照角度和海面贴图颜色，完成海面的光照渲染；

海浪泡沫渲染模块，用于基于影响海浪泡沫的因素计算海浪泡沫透明度并进行渲染。

一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述的一种用于海面模型的渲染方法。

一种电子设备，包括处理器、存储介质和渲染输出面板，所述处理器执行所述存储介质中的指令。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提出的一种用于海面模型的渲染方法，通过对海水的漫反射需要将漫反射部分的亮度增强，使得场景中较暗的光线也能较为明亮的进行渲染，进一步加强了海面绘制真实感。

2.本发明提出的一种用于海面模型的渲染方法，通过分析海浪泡沫影响因素，并代替了粒子系统的模拟海浪泡沫的方法，同时使用自适应权重法分析因素的影响，可以保证海浪泡沫的真实感与实时性。

3.本发明提出的一种用于海面模型的渲染方法，通过划分地形位置和限定水面的高度阈值绘制近岸海浪波纹，修改为与海岸吻合的波纹，并在近岸边界处优化了网格细节，使浪花更加逼真。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例1中一种用于海面模型的渲染方法流程图；

图2为本发明实施例2中一种用于海面模型的渲染方法变换过程流程图；

图3为本发明实施例2中一种用于海面模型的渲染方法变换过程示意图；

图4为本发明实施例3中一种用于海面模型的渲染方法近岸波形挤压图；

图5为本发明实施例4中一种用于海面模型的渲染方法光照模型图；

图6为本发明实施例5中一种用于海面模型的渲染系统模块图；

图7为本发明实施例6中一种用于海面模型的渲染电子设备图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

请参阅图1，一种用于海面模型的渲染方法，包括以下步骤：

基于二维海平面谱函数构建海面模型；

基于投影网格算法构建海平面网格；

对近岸海面边界进行重塑；

基于光照模型完成海面的光照渲染；

基于计算透明度对海浪泡沫进行渲染。

所述基于二维海平面谱函数构建海面模型，包括：

基于全向海谱和传播方向谱计算二维海平面谱函数，计算公式为：

F(K)＝φ(k)×ψ(k,θ)/k，

其中，F(K)表示二维海平面谱函数，ψ(k,θ)表示传播方向谱，φ(k)表示全向海谱，K表示波数向量，θ表示海浪传播主方向，k表示波数；

基于快速傅里叶变换与二维海平面谱函数完成海浪谱频域到时域的转换，生成海面高度场。

其中，全向海谱计算公式为：

φ(k)＝(B_l+B_h)/k³，

其中，φ(k)表示全向海谱，k表示波数，B_l表示低频长波频谱，B_h表示高频短波频谱；

传播方向谱计算公式为：

其中，ψ(k,θ)表示传播方向谱，θ表示海浪传播主方向，k表示波数，Δ(k)表示波数因子，表示波数向量与海平面x轴正向夹角的角度；

海面高度场计算公式为：

其中，h(r,t)表示海面高度场，r表示定点向量，t表示时间，表示三维海平面谱函数，e表示自然对数，i表示虚数单位，

其中，ω(K)表示海浪移动方向上的随机向量，h₀ ^*(·)表示h₀(·)的共轭，

其中，ζ₁和ζ₂表示两个独立的高斯随机数。

使用满足一定条件的波形函数可以模拟海水表面的波浪运动产生的高度场，FFT分解海浪谱可减少时间复杂度，使通过变换顶点坐标建立模型效率更高。要实现动态的海浪波动效果，利用方向频谱计算海浪频域的振幅值，通过IFFT将频域的振幅值变换到时域的高度值，从而构建海面高度场。

实施例2

请参阅图2和图3，所述基于投影网格算法构建海平面网格，包括：

在投影空间创建一个规则的网格，并且使得网格置于投影坐标系中；

将创建的网格投影到世界坐标系下的海平面上；

加载世界坐标系下海平面网格顶点的海面高度场；

变换回投影空间，将投影网格的结果置入渲染队列中。

投影网格方法作为一种逆向的网格绘制方案，创建于投影空间中，位置变换计算公式为：

P_pro＝M_view×M_pro×P_world，

其中，P_world表示世界坐标，P_pro表示投影坐标，M_view和M_pro分别表示视点变换和投影变换的变换矩阵，A表示视点位置，B表示投影空间位置变换，C表示世界空间位置即海面。

实施例3

请参阅图4，所述对近岸海面边界进行重塑，包括：

对海岸波纹进行重塑和对陆海边界网格进行重塑，

其中，所述对海岸波纹进行重塑，包括：

使用余弦函数模拟波浪整体形状，通过对横轴进行挤压产生波峰尖角，选取与海岸距离两个网格的点为波源中心，对于海岸到波源中心海面上的任意一点，通过该点到波源中心的距离计算近岸海浪高度，基于波源中心的扩散效果，在将靠近海岸的海浪波形频率增大，修改为与海岸吻合的波纹，对海岸波纹添加噪音纹理扰动，得到最终的海岸波纹；

远洋海浪可以看作是不同频率不同方向的多种波形叠加而成，而近岸处的海浪则会因为速度差而造成偏转，近岸处的海浪波形可以看作是波形收到了来自岸边方向的挤压而造成的。为了形成尖型的波峰，通过对横轴进行挤压产生波峰尖角，计算公式为：

其中，x表示横坐标，y表示纵坐标，sin(a)表示正弦函数，cos(a)表示余弦函数，b表示正弦函数系数，A表示波峰高度系数；

使海浪发生倾斜挤压的计算公式为：

其中，k表示函数系数常数，取k＝0.003；

所述对陆海边界网格进行重塑，包括：

在海面高度场中另外加一个渲染陆海交界的通道，将纹理划分为不同大小的矩形网格，通过计算矩形网格的极差判断该矩形网格是否在陆海交界处，在陆海边界地方的网格划分精度重塑为之前的十六倍。

实施例4

请参阅图5，所述基于光照模型完成海面的光照渲染，包括：

设定单位化后漫反射的光照强度为I_a，计算公式为：

其中，I_m表示表示兰伯特光照模型对方向光进行漫反射的光照强度，T_I表示漫反射光照强度阈值；

设定光照模型总光照强度为I_d，计算公式为：

I_d＝I₀+I_a+I_b，

其中，I₀表示入射光的光照强度，I_b表示单位化后镜面高光反射的光照强度；

将总光照强度与光照角度结合得到光照强度向量；

将光照强度向量与海面贴图颜色混合，完成海面的光照渲染。

兰伯特光照模型基于光线与物体表面的垂直角度，模拟了漫反射光的强度。根据兰伯特定律，光线照射到物体表面上的每个点，其反射光的强度与入射光线的夹角成正比。入射光线越垂直于物体表面，漫反射的亮度就越高。兰伯特模型可以模拟漫反射效果，但是，其漫反射一般针对表面较为粗糙的材质，并不能模拟水面的漫反射，而海水的漫反射需要将漫反射部分的亮度增强才能模拟出更真实的效果。尤其是当海面上光照强度不足的时候渲染出的画面比较暗，这时需要将计算漫反射光的时候将其的亮度增加，以得到比较真实的画面。因此，对兰伯特光照模型的漫反射的光照强度进行提升，同时加入了模拟高光的情况，通过高光反射进行计算，计算公式为：

I_b＝k_s×I₀×(R·V)^s，

其中，k_s表示镜面反射高光系数，s表示高光反射指数，R表示反射光向量，V表示视角向量；

1表示入射光向量，2表示海平面法向量，3表示反射光向量，4表示视角向量，5表示海平面。

所述基于计算透明度对海浪泡沫进行渲染，包括：

输入影响海浪泡沫的因素，并判断影响海浪泡沫的因素的权重值，其中所述影响海浪泡沫的因素包括：风力周期，温度以及光照强度；

基于影响海浪泡沫的因素的权重值计算因素阈值β；

若网格顶点的海面高度场大于因素阈值β，则计算海浪泡沫纹理透明度，并进行海面泡沫的渲染，所述海浪泡沫纹理透明度计算公式为：

其中，Tr表示海浪泡沫纹理透明度，η表示透明度计算系数，h表示网格顶点的海面高度场，β_m表示因素阈值的最大值；

其中，因素阈值的计算公式为：

β＝s(t)·f(x,y)·I_c，

其中，s(t)表示温度因素函数，f(x,y)表示风力周期因素函数，I_c表示光照强度因素；

对于影响海浪泡沫的因素，通过因素权重的自适应权重确定法，能够更好地对海浪泡沫进行模拟，提高其模拟的真实感。

实施例5

请参阅图6，一种用于海面模型的渲染系统，包括：

海面网格模块，用于解析网格建模模型的参数，并提供建模所需的数学计算；

海面高度场计算模块，用于计算海面高度场并把计算结果应用到当前的海面网格模型的顶点上；

近岸边界塑造模块，用于模拟波浪整体形状并修改波纹与海岸吻合，并将陆海边界地方的网格进行重塑；

海面光照控制模块，用于基于光照强度、光照角度和海面贴图颜色，完成海面的光照渲染；

海浪泡沫渲染模块，用于基于影响海浪泡沫的因素计算海浪泡沫透明度并进行渲染。

实施例6

请参阅图7，一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述的一种用于海面模型的渲染方法。

一种电子设备，包括处理器、存储介质和渲染输出面板，所述处理器执行所述存储介质中的指令。

Claims (9)

1.一种用于海面模型的渲染方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于二维海平面谱函数构建海面模型；

基于投影网格算法构建海平面网格；

对近岸海面边界进行重塑；

基于光照模型完成海面的光照渲染；

基于计算透明度对海浪泡沫进行渲染。

2.根据权利要求1所述的一种用于海面模型的渲染方法，其特征在于，所述基于二维海平面谱函数构建海面模型，包括：

基于全向海谱和传播方向谱计算二维海平面谱函数，计算公式为：

F(K)＝φ(k)×ψ(k,θ)/k，

其中，F(K)表示二维海平面谱函数，ψ(k,θ)表示传播方向谱，φ(k)表示全向海谱，K表示波数向量，θ表示海浪传播主方向，k表示波数；

基于快速傅里叶变换与二维海平面谱函数完成海浪谱频域到时域的转换，生成海面高度场。

3.根据权利要求2所述的一种用于海面模型的渲染方法，其特征在于，所述基于投影网格算法构建海平面网格，包括：

在投影空间创建一个规则的网格，并且使得网格置于投影坐标系中；

将创建的网格投影到世界坐标系下的海平面上；

加载世界坐标系下海平面网格顶点的海面高度场；

变换回投影空间，将投影网格的结果置入渲染队列中。

4.根据权利要求3所述的一种用于海面模型的渲染方法，其特征在于，所述对近岸海面边界进行重塑，包括：

对海岸波纹进行重塑和对陆海边界网格进行重塑，

其中，所述对海岸波纹进行重塑，包括：

使用余弦函数模拟波浪整体形状，通过对横轴进行挤压产生波峰尖角，选取与海岸距离两个网格的点为波源中心，对于海岸到波源中心海面上的任意一点，通过该点到波源中心的距离计算近岸海浪高度，基于波源中心的扩散效果，在将靠近海岸的海浪波形频率增大，修改为与海岸吻合的波纹，对海岸波纹添加噪音纹理扰动，得到最终的海岸波纹；

所述对陆海边界网格进行重塑，包括：

在海面高度场中另外加一个渲染陆海交界的通道，将纹理划分为不同大小的矩形网格，通过计算矩形网格的极差判断该矩形网格是否在陆海交界处，在陆海边界地方的网格划分精度重塑为之前的十六倍。

5.根据权利要求4所述的一种用于海面模型的渲染方法，其特征在于，所述基于光照模型完成海面的光照渲染，包括：

设定单位化后漫反射的光照强度为I_a，计算公式为：

其中，I_m表示表示兰伯特光照模型对方向光进行漫反射的光照强度，T_I表示漫反射光照强度阈值；

设定光照模型总光照强度为I_d，计算公式为：

I_d＝I₀+I_a+I_b，

其中，I₀表示入射光的光照强度，I_b表示单位化后镜面高光反射的光照强度；

将总光照强度与光照角度结合得到光照强度向量；

将光照强度向量与海面贴图颜色混合，完成海面的光照渲染。

6.根据权利要求5所述的一种用于海面模型的渲染方法，其特征在于，所述基于计算透明度对海浪泡沫进行渲染，包括：

输入影响海浪泡沫的因素，并判断影响海浪泡沫的因素的权重值，其中所述影响海浪泡沫的因素包括：风力周期，温度以及光照强度；

基于影响海浪泡沫的因素的权重值计算因素阈值β；

若网格顶点的海面高度场大于因素阈值β，则计算海浪泡沫纹理透明度，并进行海面泡沫的渲染，所述海浪泡沫纹理透明度计算公式为：

其中，Tr表示海浪泡沫纹理透明度，η表示经验系数，h表示网格顶点的海面高度场，β_m表示因素阈值的最大值。

7.一种用于海面模型的渲染系统，其特征在于，包括：

海面网格模块，用于解析网格建模模型的参数，并提供建模所需的数学计算；

海面高度场计算模块，用于计算海面高度场并把计算结果应用到当前的海面网格模型的顶点上；

近岸边界塑造模块，用于模拟波浪整体形状并修改波纹与海岸吻合，并将陆海边界地方的网格进行重塑；

海面光照控制模块，用于基于光照强度、光照角度和海面贴图颜色，完成海面的光照渲染；

海浪泡沫渲染模块，用于基于影响海浪泡沫的因素计算海浪泡沫透明度并进行渲染。

8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行权利要求1-6中任一项所述的一种用于海面模型的渲染方法。

9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、权利要求8所述的存储介质和渲染输出面板，所述处理器执行所述存储介质中的指令。