题目：海洋环境模拟关键技术研究

综合自然环境仿真中，各种自然景物，包括海洋环境的仿真和可视化技术是军事仿真应用以及虚拟现实技术中非常重要的组成部分。也是计算机图形学在各种仿真系统中的一个很重要的应用领域。海洋环境通过空间来划分可有三个部分，水上海洋大气环境、海水(水面及水体)及水下海底地形。本文主要对海洋环境可视化的关键技术进行研究，研究内容包括近海海浪模拟，卷浪特效模拟，大气环境如风速、风向、阴晴等对海水波浪和海面颜色影响的模拟，以及海底地形对海水波浪的影响和水陆衔接模拟。 论文首先对虚拟现实以及综合自然环境可视化的概念与应用进行简要的介绍，论述了海洋环境模拟的国内外研究发展概况，提出了本文的研究方向与内容。详细介绍了图形渲染管线，包括OpenGL和DirectX，以及可编程图形硬件GPU的组成与功能。 论文也介绍了真实感海水模拟所需要的各种关键技术。包括海浪模拟的各种数学模型及其比较，重点描述了Gerstner波模型，以及海洋光学渲染时的各种纹理映射技术，如立方体环境纹理映射、凹凸纹理映射、alpha纹理映射等，最后介绍了网格变形技术。 本文的主要工作是设计出实时性较好的海洋渲染仿真算法并加以工程实现，包括近海海面模拟和卷曲浪特效的生成。首先确定实现方案，选择适当的海浪数学模型进行改进后在顶点着色器中编码实现，水面光学渲染则利用各种纹理映射技术，考虑Fresnel效果，针对近海做必要的改进后在片元着色器中编码实现，并且利用方向光源模拟了太阳光照效果。海岸线的处理采用Matlab首先模拟出曲线，后赋值到海浪网格，结合变形技术实现水陆衔接动画的方法，同时本文还提出并采用两个浪交互拍打海岸的仿真，增加了真实性，由此产生的泡沫采用alpha纹理映射模拟。考虑大气环境的影响，也能够实现给定不同风向，不同风速，不同天气状况下的近海海面仿真效果。 卷曲浪的模拟一直是海洋实时模拟的一个难点，本文提出一种新的采用Bézier曲面关键帧技术结合变形技术的方法来实现实时卷曲海浪的模拟，利用多个可参数化设计的三次Bézier曲面（保证至少C0连续）构造不同的关键帧进行模拟，同时采用粒子系统模拟随卷曲海浪产生的一些随机浪花，取得了较好的仿真效果。实验表明这种算法的具有较好的实时性，逼真度较高且不依赖其它的实验结果，也有一定的通用性。