[美赛热点问题]近海海浪的仿真研究

雩风三日

近海海浪的仿真研究
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    海浪场景的仿真一直是计算机图形学研究领域的一个热点，它被广泛的应用于军事模拟、工程计算和艺术创作等领域。随着计算机硬件和软件技术的迅速发展，应用领域对海浪仿真的物理真实性、运行时效性和细节精致性提出了更高的要求。本文从海浪建模方法和GPU绘制技术入手，分析当前研究的现状，对近海海浪造型、表现海浪破碎的粒子系统、海面与海岸生成等内容展开研究，采用GPU技术提高仿真的实效性，实现真实感强、实时性好的近海海浪可视化场景。与以往远海无限海域研究相比，本文面向近海有限海域，考虑了更为复杂的影响和控制因素，使得海浪的仿真过程更加真实准确，渲染造型更加丰富多样。本文所做主要工作和创新点如下:
    1.针对近海海浪的形态特性，讨论了孤立波理论在计算机仿真中的造型方法，基于近海变形物理模型分析了近海海浪破碎的产生过程以及控制方法，为真实表现海浪破碎的形态，提出了基于孤立波波面检测并生成破碎曲面的构造方法，实现海浪在近海区域破碎的可视化仿真过程。
    2.充分利用粒子系统的高表现力实现对近海波浪破碎的模拟。分析了海浪的破碎形态并进行粒子造型的分类。为解决粒子数量对模拟波浪破碎实时性的影响，提出了一种基于密度检测的聚合细分粒子动态优化方案，该方案既能使计算和渲染的开销得到优化，又能实现粒子系统对波浪破碎特征的高细节渲染。利用GPU的并行处理能力计算和管理粒子在仿真中的运动状态，实现了卷波喷雾和激散流粒子系统在海浪破碎仿真中的应用。
. R# D% }" {" {6 ]  M4 K" }    3.为实现海浪真实感的交互，着重分析了适合海浪仿真应用的SPH离散化数值方法，讨论了在SPH应用中最近相邻粒子搜索、边界条件处理以及加速度计算等细节问题，采用一种符合流体控制方程描述的流体运动状态SPH计算方法，实现了与障碍物交互的流体仿真场景实例。
    4.着重分析了Perlin噪声和FFT算法在生成海面高度场中的应用方法。采用以风为驱动力的 FFT模型生成高度场，并提出了基于GPU纹理映射的计算方法。对海面的反射、折射和焦散等光学效果进行分析，提出了实时计算太阳位置的动态光照模型，并采用基于视点投影网格的LOD方法裁剪海面，降低网格计算量和渲染量，最后充分利用GPU可编程能力实现了近海海岸的仿真场景。
9 [# h/ P4 h7 \) b! F; |# Y$ _$ d! v- Z       5.为满足用户地形风格设计和地形建模控制的需求，提出了一种基于草图路径创建海岸地形的方法。设计了生成地形高度场过程中涉及的海岸边界弯曲策略、高度图样本匹配、置换与合成策略，采用以高度作为检索条件的纹理匹配和混合方法，实现了基于用户设计草图真实感较强的海岸地形场景。
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  c3 y7 m/ ?  b, S关键词:近海海浪;破碎波;实时绘制;GPU加速;粒子系统
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