海浪算法分析与设计

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1、本栏目责任编辑：贾薇薇计算机工程应用技术海浪算法分析与设计唐承华,蔡建立(厦门大学信息科学与技术学院,福建厦门361005)摘要:近年来,对三维水的模拟尤其是海浪模拟日益成为人们关注的焦点问题,逼真地再现三维海浪常常是电影、游戏等行业中要解决的的重点问题之一。本文采用了正余弦波形叠加和iWave两种方法进行海浪的模拟,为了达到更佳的效果,均对以上两种方法均进行了优化改进,最后对两种算法进行比较分析。关键词:海浪模拟;波形叠加;iWave中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2008)07-11355-03TheAnalysisAndDesignOfOceanWave

2、AlgorithmTANGCheng-Hua,CAIJian-Li(TheScienceInformationandTechnologySchool,XiamenUniversity,Xiamen361005,China)Abstract:Inrecentyears,thesimulationof3Dwaterespeciallyoceanwavehasbeengivenmoreandmoreattention,realisticallyreappear3Dwaveusuallyisoneofthekeyproblems,suchasmovieandgame...etc.Thispaperus

3、etwokindsofmethod:positivecosinewavefoldandiWavetosimulatetheoceanwave.forbettereffect,weoptimizetwoarithmeticswhichdiscussedabove,finally,weofferacomparativeanalysisofthesealgorithms.Keywords:Thewavesimulation;thewavefold;iWave1引言近年来,为了构造出逼真的各种效果,计算机图形领域中对风、雨、雪、火焰、海浪等各种自然现象的研究模拟显得尤为重要,尤其是对开放水域(open

4、-water)的实时模拟已广泛应用于各种游戏、虚拟海战以及电影制作之中,然而,同其他物体的模拟相比,海水的模拟往往更为困难和具有挑战性,主要表现在[1]:(1)海平面相当广阔,并且海水水体的形状具有随机性、可变性,因此不能用静态的几何多边形表示,而要每一帧都必须更新;(2)海水的波动是受到各种力的作用而综合产生的,风与海浪的相互作用仍然是海洋学中尚未能很好解决的主要问题之一,故其运动非常复杂;(3)基于水动力学、流体力学等的海水模型通常都是非常难解的偏微分方程,并且庞大的运算量往往要进行各种优化,否则使用普通的PC机难以达到实时模拟的效果。目前,水波的绘制算法已有很多种,比如:Fourier合

5、成技术、perlinnoise建模以及基于物理模型的NavierStokes方程等等。《水世界》、《泰坦尼克号》等这些电影就是用FFT(快速离散傅利叶变换)建模来绘制逼真的海水。但这种方法比较复杂,速度也慢一些,因为FFT运算只能在CPU上运算,无法使用GPU的功能。最为简单的水波生成方法是正弦波叠加技术,这是一种空间域的Fourier合成技术,通过将一系列不同频率、相位、振幅的的正弦波叠加起来产生所需的水波。其突出的优点是速度快,可由GPU的并行处理功能来承担建模运算,但缺点是只能模拟小振幅的水波。本文主要采用正余弦叠加算法和iwave两种方法进行水波模拟,最后对2种算法进行比较和分析。2水

6、波叠加模型的提出根据参考文献[1]得出运用正弦波叠加技术的波纹函数定义为[2]:nH(x,y,t)=!Ai×sin((Dix×x+Diy×y)×2π/Li+t×Si×2π/Li)i=1其中:Ai为第i个正弦波的振幅Li为第i个正弦波的波长收稿日期:2008-01-15基金项目:厦门大学国家985工程信息科学学院科研基金(0000-x07204)作者简介:唐承华(1982-),男,江西省于都县人,硕士生,研究方向:自适应滤波及图像处理,海浪模拟算法设计等;蔡建立(1950-),男,福建厦门人,厦门大学副教授,硕士生导师,主要研究方向:信号与图像处理,船舶运动分析等。1355计算机工程应用技术本栏

7、目责任编辑：贾薇薇Dix、Diy为第i个正弦波的前进方向Si为第i个正弦波的前进速度t为时间上述的函数实际上定义了t时刻水波的高度场。当t连续变化时,就得到了水波的运动。将该波纹函数作为位移函数扰动景物表面,可产生所需水波的动态效果。理论上,任意波形都可使用无数个正弦波叠加而成。不过为了实时生成水波,本文只使用了六个正弦波叠加,因此在一定程度上保证了速度,但是形成的动态水面只是一个粗糙的水面轮廓。