基于GPU的大规模海浪实时绘制

海浪建模与绘制是近二十年来计算机图形学领域的一个经典问题,同时,随着硬件的发展,尤其是图形处理器(GPU)以大大超过摩尔定律的速度高速发展和其高速计算能力、并行性、其可编程功能,使得基于GPU的通用计算成为一个新研究热点.利用GPU的高速计算能力和可编程功能,解决海浪模拟中的复杂计算问题,提出一种基于图形硬件的大规模海浪实时绘制方法.首先,对图形处理器进行了概述.然后,基于Gerstner-Rankine模型生成海洋高度场,采用屏幕细分自适应算法对数字地球上的可视海洋表面进行采样,利用图形处理单元的可编程特性进行顶点和颜色计算,模拟实时球面海浪效果.实验结果表明,基于GPU的方法可以在普通PC图形硬件上实现大规模海浪的交互漫游.     

虚拟海战场景中的海浪实时建模与绘制技术研究

给出了一种在虚拟海战场景中的快速高效的海浪建模算法,该算法考虑了海浪的波级,引入了概率统计思想,并采用视点相关的海浪模型,该算法支持虚拟海战场景中的实时漫游,不依赖于特定平台的定帧速的动态显示以及图像质量和几何面片数量的折衷,应用证明算法很好地满足了虚拟海战场景的需要。     

高精度高速度曲面建模的3维地表模拟和漫游算法

三维真实感地形场景是生态系统模拟、虚拟地理环境和三维GIS不可或缺的要素,而高精度高速度曲面建模方法可以动态实时构建高精度曲面模型。论文引入高精度高速度曲面建模方法,提出了一种可以动态生成地表模型并实时绘制和漫游三维真实感地表的方法。该方法实时动态建立高精度DEM,结合改进的视点依赖多分辨率绘制方法,随视点改变动态重建并绘制当前DEM。首先建立当前可见场景的DEM,然后通过依赖于视点的简化等处理建立层次细节模型,进行实时场景绘制和漫游,随视点改变,在当前场景基础上动态加点和减点更新DEM及层次细节模型,生成当前可见场景,以次循环。实例测试表明,算法可产生真实感较强的场景,实时漫游效率较高,模拟精确。     

一种大规模地形的高效绘制算法

大规模地形的实时可视化是仿真和虚拟地理环境系统的重要问题。文章提出了一种基于规则网格的视点相关的地形模型实时生成及绘制算法。该算法采用类似于纹理多重映射的技术,以屏幕误差作为细分的依据,通过基于地形小块的自顶向下的细分来实时生成地形连续LO D模型。在PⅣ1.7G、集成显卡、256M B RAM的硬件平台上,本算法可实现对257×257个采样点地形的实时漫游.实验表明,该算法具有较低的时间、空间开销,适于大规模地形的实时可视化。     

基于屏幕空间的海洋仿真的研究与实现

针对海洋模拟仿真中真实性和实时性难以均衡的难题,提出一种基于频谱统计模型和Perlin噪声模型对海浪建模,应用快速傅里叶变换(FFT)生成高度场并与Perlin噪声高度场线性混合的方法。把在屏幕空间生成的高度场网格点通过算法投射到世界空间生成合适的网格,利用统一计算设备架构(CUDA)高效的并行计算能力把复杂的模型数据转移到图形处理器(GPU)中进行处理。实验结果表明,该方法在保持场景真实性的同时,有效降低了计算复杂度,提高了绘制实时性。     

基于光场与几何混合绘制的3D视频显示算法

提出一种基于光场与几何混合绘制的视频绘制算法.算法以光场绘制算法计算起始帧,以新视点的上一帧为基础更新前景;结合高斯混合背景建模和场景几何计算方法来计算新视点的当前帧的前景区域,避免了重复绘制占据图像大部分而变化缓慢的背景区域,提高了视频绘制的效率.为了消除累积误差,采用"起始帧+后续帧"的循环模式,同时在循环中统计前景点在场景中的分布,自适应地划分下一个循环的场景层次.实验结果表明,文中算法效率高,所生成的图像质量好.     

基于GPU的球面深度图实时绘制

提出了一种GPU加速的实时基于图像的绘制算法.该算法利用极坐标系生成对物体全方位均匀采样的球面深度图像;然后根据推导的两个预变换公式将单幅球面深度图像预变换到物体包围球的一个与视点相关的切平面上,以生成中间图像;再利用纹理映射生成最终目标图像.利用现代图形硬件的可编程性和并行性,将预变换移植到Vertex Shader来加快绘制速度;利用硬件的光栅化功能来完成图像的插值,以得到连续无洞的结果图像.此外,还在Pixel Shader上进行逐像素的光照以及环境映射的计算,生成高质量的光照效果.最终,文章解决了算法的视点受限问题,并设计了一种动态LOD(Level of Details)算法,实现了一个实时漫游系统,保持了物体间正确的遮挡关系.     

逆向投影点绘制算法

现有的点绘制算法局限于采用高斯滤波对三维空间中的点模型进行重构,而且在某些视点下绘制结果会出现“洞”．文中算法通过精确的逆向透视投影计算点模型中的每一个顶点在屏幕空间上的形状和影响因子．该算法不仅解决了绘制结果中存在“洞”的问题,而且可以将多种不同的重构滤波器统一在一个绘制框架内,在采用圆锥滤波时可以得到比高斯滤波更好的绘制质量．     

基于混合多细节层次技术的实时绘制算法

细节层次是实时图形生成的一项重要技术.提出一种把视点无关和视点相关两类多细节层次技术结合起来的网格模型实时绘制算法.该算法首先根据应用领域的不同要求或用户给出的误差范围,对模型进行与视点无关的预处理简化,然后把简化后得到的模型用在与视点相关的实时简化算法中.实验表明,这种网格模型简化和绘制算法能在损失很小的屏幕像素误差的前提下大大提高绘制速度.     

基于特征包围盒模型的装配诱导信息自适应显示方法

为在屏幕上合适的位置、以合适的视角显示三维装配诱导信息,提高诱导信息的信息量和立体感,提出一种基于零部件CAD特征包围盒模型的装配诱导信息自适应显示方法,包括屏幕显示区域自适应选择算法和最优视点选择算法.在屏幕显示区域自适应选择算法中,首先将屏幕区域划分成栅格,然后计算CAD特征包围盒顶点的屏幕坐标,并判断各屏幕栅格是否被包围盒占用,最终将屏幕上未被包围盒占用的最大连通区域作为屏幕非焦点区域,用于显示诱导信息.在最优视点选择算法中,利用CAD特征包围盒模型提出了一种综合考虑视图投影面积和立体特性的视点信息度量算子.实验结果表明,文中方法能够实现三维装配诱导场景屏幕显示区域及视点的在线选择,具有一定的智能性和通用性.     

海浪建模与绘制技术综述*

海浪建模和绘制技术成为计算机图形学和虚拟现实领域共同关心的自然现象模拟问题.侧重从计算机图形学的研究角度对海浪建模和绘制技术进行了综述,介绍了近二十年来提出的典型海浪建模和绘制方法及其最新研究进展,给出了这些方法的基本原理并加以分析比较,最后对海浪建模和绘制技术的未来研究给出了一些建议.     

Massively parallel processing in coastal ocean circulation model

Massively parallel computers are becoming quite common in their use in computational fluid dynamics. In this study, a parallel algorithm of a 3-D primitive-equation coastal ocean circulation model is designed on the hypercube MIMD computer architecture. The grid is partitioned using one-dimensional domain decomposition. The code is tested in a uniform rectangular grid problem for which the model domain in each node is a cube. For the problem where the grain size (n _y ) is fixed, the speedup is linear and is close to ideal forP 8 processors. The overhead (F _C ) increases as the number of processors increases. The background overhead is inversely proportional to the size of the grain. The slopeF _C vs.P is a measure of the fraction of non-parallel code. For the problem where the domain is fixed, the speedup is 7.8 using 8-processors and 29.6 using 32-processors. The overhead increases linearly withP. The slopeF _C is a measure of the communication cost. The load balancing problem is examined for a model of the Gulf of California whose computational domain is irregular.     

低开销的海面模型

传统的海面模拟从提高局部海浪效果的角度出发,通过大量的类正弦波或噪声波的叠加来模拟连续的海浪,导致算法复杂度很高。针对该问题,提出了一种海面模拟模型LOSM（Low-consumption Ocean Simulation Model）,该模型分别对海浪和海洋整体运动进行独立建模,通过将模型函数进行叠加的方法,将两者有机地结合在一起建立海面模型;设计了海面模拟算法,采用凹凸映射方法进行海浪的模拟,采用少量小波幅的正弦函数叠加的方法模拟海洋的整体运动。实验结果表明,该方法不仅视觉效果良好,而且可节省大量的资源。     

Information‐driven robotic sampling in the coastal ocean

Efficient sampling of coastal ocean processes, especially mechanisms such as upwelling and internal waves and their influence on primary production, is critical for understanding our changing oceans. Coupling robotic sampling with ocean models provides an effective approach to adaptively sample such features. We present methods that capitalize on information from ocean models and in situ measurements, using Gaussian process modeling and objective functions, allowing sampling efforts to be concentrated to regions with high scientific interest. We demonstrate how to combine and correlate marine data from autonomous underwater vehicles, model forecasts, remote sensing satellite, buoy, and ship‐based measurements, as a means to cross‐validate and improve ocean model accuracy, in addition to resolving upper water‐column interactions. Our work is focused on the west coast of Mid‐Norway where significant influx of Atlantic Water produces a rich and complex physical–biological coupling, which is hard to measure and characterize due to the harsh environmental conditions. Results from both simulation and full‐scale sea trials are presented.     

海浪实时生成技术研究

在分析和研究海浪特点的基础上,提出了一种动态海浪高度场的实时建模与绘制方法,其核心是现场的分割算法,该算法不仅具有良好的常速泻染属性,而且能支持实时动态连续分辨率海兴高采烈表面的建模与仿真,应用该算法生成的具有较高的真实感,又具有较快的绘制速度,满足了虚拟海战场景的需要。     

虚拟海战场中场景生成与实时显示技术研究

虚拟海战场的三维场景生成与实时显示是构成虚拟海战场视景仿真系统的重要部分，包括几何形体建模、纹理映射以及视觉效果处理等内容。以MultiGen Creator为建模平台，通过完成一个仿真模型讨论了解决建模逼真度与仿真实时性矛盾的一些措施；基于Vega仿真软件环境开发了海洋战场中的各种复杂场景特效，解决了非视觉物理量的可视化问题；利用Visual C＋＋开发了视景仿真程序。解决了视景驱动，自动视点切换及仿真记录回放等具体问题。仿真结果表明，该系统较好地满足了视景仿真实时性和逼真度的要求。     

深海集矿机行走驱动系统研究

集矿机在深海底是不容易控制的。要控制其行走,首先就要研究液压驱动部分。该驱动系统通过控制集矿机左右履带的旋转进而控制集矿机的整体运动。本文分别介绍了履带式集矿机液压驱动系统中比例阀、变量泵、液压马达的数学模型及Simulink仿真。在仿真过程中,通过比较变换负载及改变PID控制器参数后输出结果的不同,来验证该模型的合理性。     

基于物理模型的近岸海浪建模与实时绘制

提出一种可以逼真地模拟大面积近岸海浪的方法。首先利用Boussinesq类方程求得指定海域一段时间内的海面运动序列;然后通过对此序列进行重建,得到"无限"长的海面运动序列;最后把相应的海面高度场作为顶点纹理进行绘制。在绘制时采用视点相关的海面网格,达到实时绘制的效果。实验表明,该方法模拟的大面积近岸海浪真实感强,绘制速度快,适合于实时仿真应用。     

基于海浪谱的Gerstner波浪模拟

本文从海洋学现有的观测和研究成果出发，结合海浪的Gerstner模型，提出一种风力作用下的基于海浪谱的三维Gerstner海浪模型。首先，通过分析Gerstner模型各个参数的随机性，利用海浪谱和方向谱相关公式，获得固定风速下模型各随机参数值，建立固定风速下的海浪模型；然后，在此基础上进一步构造了基于海浪谱的风力模型，模拟了风力作用下的海浪；最后，采用基于视点的网格拓扑结构，实现了海浪的实时绘制。实验结果表明，该模型不仅能更真实地模拟海浪，还具有较好的交互性。