水體視覺效果模擬與實現

王太偉 張天翔 張尚弘

摘 要：本文簡要描述基于波形函數變形、法線紋理貼圖2種水體視覺模擬技術，并基于Tiled Directional Flow的算法實現河流水體視覺模擬，基于波形疊加的方法實現海洋水體視覺模擬，結合GPU渲染管線實現組合條件繪制，最后比較2種不同模擬技術所適用模擬的情景。本文所采用的水體視覺模擬技術及實現方法對于研究水體視覺模擬有一定助益，水體視覺模擬效果良好。

關鍵詞：波形函數變形；法線紋理貼圖；視覺效果模擬

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2017）03-0029-03

Abstract： This paper briefly described two visual modeling techniques based on waveform function deformation and normal texture mapping. Based on the Tiled Directional Flow algorithm， the visual simulation of river water body was realized. Based on the waveform superposition method， the visual simulation of marine water body was realized. Combined with GPU rendering pipeline， the combination of conditional rendering was achieved. Finally， the simulation scenarios of two different simulation techniques were compared. The visual simulation technology and the realization method of the water body used in this paper are helpful for the study of water visual simulation， and the simulation works well.

Keywords： waveform function deformation；normal texture mapping；visual effect simulation

1 水體視覺模擬技術概述

海洋、河流、湖泊等水體的真實狀態模擬在可視化系統中是十分常見的，有別于上述的科學可視化方法，此類水流可視化偏重于水流的真實視覺效果，對其具體的水深、流速分布等科學數據不做深究。介于科學可視化所需的計算量龐大，而且普通模擬無法滿足水流三維視覺的需要。因此，此類水流可視化通常采用簡化的數學方法模擬水流形態，外加計算機特效實現視覺上的真實感。常用的水體視覺模擬技術有波形函數變換與法線紋理貼圖[1]。

波形函數變換是直接實時改變水體表面的頂點，模擬水面的波動狀態。常見的做法有波形疊加、波動方程、預渲染流場紋理等。波形疊加是疊加不同的隨機周期函數構成水體表面，多用來表現波濤起伏海面。使用波動方程或者近似公式來表現局部的水波，多用于表現物體與水面互動產生的漣漪。預渲染流場紋理是將復雜運動的數據預先渲染到紋理上，多用于模擬渦流等難于實時計算的非線性運動。

法線紋理貼圖是通過改變水體表面的法線，實現對水體波動的模擬。換個角度說，法線紋理貼圖不對水體表面的頂點做任何改動，其實現的效果只是一個假象。如果剖開水體進行觀察，不會看到任何的波動變化。在近距離觀察時，常常會存在失真的情況。但是，相對地，法線紋理貼圖僅僅會動態改變水體的光照狀態，可以很大程度上節省系統的性能。特別是對于大尺度水體的表現，水體視覺模擬的性能（即水體波動動畫的流暢程度）遠遠比其圖像質量重要，使用法線紋理貼圖會是一個更好的選擇。

2 水體視覺模擬

2.1 河流水體視覺模擬

當前很多流域模擬系統都采用地形模型為用戶提供大規模的虛擬環境，對水體流動的表現會極大地增強整個虛擬環境的真實感。由于缺少準確的河流流速數據，大部分的流域模擬系統對河流水體的模擬缺乏細節表現，很少能表現河流的水流流速分布特征（流速大小，橫流、渦流等流態特征）和水流變化情況。本文將水動力模型的計算結果與水體視覺模擬方法相結合，增強河道水流流態狀態的真實感。

對河流的水體視覺模擬，關鍵內容有2個方面：一是河流水波起伏，二是河流流向。相對于流域模擬的尺度，水波是一種微小尺度上的變化情況。水波無法使用水動力學模型進行計算，一般是采用一些紋理動畫或周期函數進行表現。流向則由于其顯示的尺度較大，精度要求不高，因而直接使用水動力計算的結果，用法線紋理貼圖的方法繪制水體流動的特效。

本文采用了Tiled Directional Flow的算法[2-4]，即通過著色器在河流表面劃分正方形網格，按照流向調整貼圖方向，進而實現河流有向流動的效果，過程如圖1所示。

每個正方形網格瓦片都有4個頂點，在4個頂點上都可以求出其流速的大小和方向。之后，根據這些頂點數據，設置法線貼圖的方向和各坐標軸方向的重復度，將法線紋理貼圖貼合在水體表面。最后，結合光照與視點位置，應用Fresnel反射與折射模型，進行水體的反射與折射計算，實現效果如圖2所示。

2.2 海洋水體視覺模擬

海水波動的起伏比較大，細節相對豐富，本文采用波形疊加的方法對海水的運動進行模擬。波形疊加是將很多個不同周期、不同振幅的周期函數疊加在一起。但在水體視覺模擬中使用的基礎波形并不是正弦和余弦波，而是一種叫做Gerstner波的特殊波形。Gerstner波的誕生早于計算機圖形學（Computer Graphic，CG），最初在物理中用于水波的模擬。由于其形狀比較真實，而且計算量不大，所以被廣泛用于計算機圖形學中水波的模擬[5]。Gerstner波以參數方程的形式給出：

2.3 組合條件繪制

水流上的標量和矢量都可以通過顏色繪制在水流模型的表面。不同的可視化方案可以對不同的變量數值進行圖形化。在不同的專業應用中，需要在一些可視化方案中提取特定的區域進一步強化顯示其內部的信息。例如，在航運應用中，需要在水深等值面或流場紋理上提取水深、流速條件適合和禁止船舶航行的區域；在洪水淹沒應用中，需要在模擬洪水的表面上提取水位高于一定閾值的區域，便于實現對洪水的警戒。

在具體的實現過程中，平臺應用GPU渲染管線，繪制一個透明的面片覆蓋在任意一個可視化方案上。面片上會有一些顏色標識用戶指定的區域。這樣將二者組合起來，就可以實現區域條件繪制的效果，其具體步驟如下：①初始化網格，將所有水流數據加載到網格節點上，并輸入到GPU頂點著色器；②頂點著色器輸出中間變量，進行光柵化操作，完成對各個變量的插值計算，輸出變量至片元著色器；③用戶通過圖形用戶界面，新建條件方案，輸入要求的組合條件，如“流速”>2.5AND“水深”>10；④在片元著色器中，將輸入的組合條件轉化為條件語句，提取指定區域。組合條件繪制效果如圖5所示，黃色區域即按照上述組合條件繪制的區域。

3 結論

在平臺的應用中，主要有2種場景會用到水體視覺模擬。一是河流模擬，即根據水動力計算的結果，盡可能模擬水面的真實流動狀態；二是海水模擬，即模擬海水的波動狀態，給予用戶在虛擬環境的真實感。一般河流的波動比較小，但如模擬大流域尺度河流，源數據規模比較大，平臺運行的性能相對重要，所以采用的是法線紋理貼圖；與此相比，海水的波動更大，平臺模擬海水更多的是為船舶航行模擬服務，尺度較小，為了顯示的效果更加形象、逼真，所以采用的是波形函數變換。

參考文獻：

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[3]蔣瑜，杜斌，盧軍，等.基于Delaunay三角網的等值線繪制算法[J].計算機應用研究，2010（1）：101-103.

[4]Varela JM，Soares CG. Interactive 3D desktop ship simulator for testing and training offloading manoeuvres[J].Applied Ocean Research，2015（51）：367-380.

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