Методы и алгоритмы компьютерной графики для моделирования водной поверхности в системах виртуальной реальности
Диссертация
Примером таких алгоритмов могут служить алгоритмы генерации текстур мрамора, коры дерева и среза дерева, описанные в. системах виртуальной реальности все чаще стали использоваться достаточно точные физические модели, которые не нуждаются в подборе параметров. Эти модели обычно приходят из области неинтерактивной графики, где используются для построения фотореалистичных изображений. Такая… Читать ещё >
Содержание
- 1. Введение
- 2. Некоторые понятия, связанные с системами виртуальной реальности
- 2. 1. Понятие текстуры
- 2. 2. Использование современной аппаратной базы в системах виртуальной реальности
- 2. 3. Синхронизация процессов, происходящих в виртуальной реальности, с физическим временем
- 2. 4. Требования, предъявляемые к моделям и алгоритмам, использующимся в системах виртуальной реальности
- 3. Моделирование геометрии водной поверхности
- 3. 1. Математические модели водной поверхности, используемые в компьютерной графике
- 3. 2. Модель мелкой воды
- 3. 3. О методах численного интегрирования систем уравнений гиперболического типа
- 3. 4. Схема расщепления матрицы коэффициентов
- 3. 5. Разностная схема расщепления вектора потоков (одна пространственная переменная)
- 3. 5. 1. Расщепление вектора потоков
- 3. 5. 2. Метод конечных объемов с расщеплением вектора потоков
- 3. 5. 3. Разрывной метод Галеркина с расщеплением вектора потоков
- 3. 5. 4. Тестовые задачи
- 3. 6. Разностная схема расщепления вектора потоков (две пространственные переменные)
- 3. 6. 1. Построение схемы
- 3. 6. 2. Решение задачи о набегании волн на твердую стенку
- 3. 6. 3. Расчет волн, набегающих на пологий берег
- 3. 7. Стохастический метод для построения открытой водной поверхности (вдали от берегов)
- 3. 7. 1. Построение повторяющегося участка водной поверхности
- 3. 7. 2. Спектр, определяющий конфигурацию волн
- 3. 8. Сопряжение решений в прибрежной и открытой областях
- 3. 9. Тестовый пример, демонстрирующий построение геометрии водной поверхности в прибрежной зоне
- 4. Методы построения треугольной сетки для визуализации водной поверхности
- 4. 1. Постановка задачи
- 4. 2. Существующие методы построения треугольной сетки
- 4. 3. Новый подход: использование подвижной сетки с фиксированной триангуляцией
- 4. 4. Структура триангуляции сетки
- 4. 5. Тестовый пример
- 5. Моделирование оптических явлений, происходящих на поверхности и в толще воды
- 5. 1. Введение
- 5. 1. 1. Терминология и обозначения
- 5. 1. 2. Постановка задачи
- 5. 2. Модель распространения света в толще воды
- 5. 2. 1. Аппроксимация светового поля для случая неоднородного дна
- 5. 2. 2. Обзор существующих моделей и выбор наиболее подходящей модели
- 5. 2. 3. Описание выбранной модели
- 5. 2. 4. Параметры модели
- 5. 2. 5. Результаты работы модели
- 5. 3. Модель человеческого зрения для визуализации оптических явлений
- 5. 3. 1. Введение
- 5. 3. 2. Обзор существующих моделей
- 5. 3. 3. Яркостная адаптация
- 5. 3. 4. Хроматическая адаптация
- 5. 3. 5. Совмещение обеих адаптаций в единую модель
- 5. 1. Введение
- 6. 1. Визуализация в открытой области
- 6. 1. 1. Модель визуализации для открытой области
- 6. 1. 2. Нелинейность модели человеческого зрения
- 6. 1. 3. Вычисление коэффициента Френеля
- 6. 1. 4. Имитация ряби для визуализации в открытой области
- 6. 1. 5. Результаты визуализации
- 6. 2. Визуализация в прибрежной зоне
- 6. 2. 1. Модель Йенсена и ее недостатки
- 6. 2. 2. Модификация модели Йенсена
- 6. 2. 3. Имитация ряби для прибрежной зоны
- 6. 2. 4. Имитация размытости отражения и преломления
- 6. 2. 5. Тестовый пример
Список литературы
- Григорьев А.Б. Методы и алгоритмы компьютерной графики для моделирования природных явлений и объектов в системах виртуальной реальности, Диссертация . к.т.н, Санкт-Петербург, 2000, 126 с.
- Ebert, David, Musgrave, F. Kenton, Peachey, Darwyn, Perlin, Ken, and Worley, Steve. Texturing and Modeling: A Procedural Approach. AP Professional, Boston, MA, 1994. P.415.
- Jerry Tessendorf. «Simulating Ocean Water». In SIGGRAPH 2002 Course Notes #9 (Simulating Nature: Realistic and Interactive Techniques) (2002), ACM Press.
- Lasse Jensen. «Deep-Water Animation and Rendering». Gamasutra, September 26,2001. http://www.gamasutra.com/gdce/iensen/jensen 01 .htm
- James D. Foley, Andreis van Dam, Steven K. Feiner, John F. Hughes. Computer Graphics. Principles and Practice. Addison-Wesley Publishing Company, 1996
- T. Akenine-Moller and E. Haines. Real-Time Rendering. 2nd edition. А К Peters, 2002, P. 835.
- J. Kautz. Hardware Rendering with Bidirectional Reflectances. Technical Report CS-99−02, University of Waterloo, 1999.
- D. McAllister, A. Lastra, and W. Heidrich. Efficient rendering of spatial bidirectional reflectance distribution functions. In Proceedings of the 17th Eurographics/SIGGRAPH workshop on graphics hardware, pages 79−88, Sept. 2002.
- Enright, D. Marschner, S. Fedkiw, R., Animation and Rendering of Complex Water Surfaces, ACM Transactions on Graphics 21,3 (2002), p. 736−744.
- Foster, N. and Metaxas, D., «Realistic Animation of Liquids», Graphical Models and Image Processing 58, p. 471−483 (1996).
- Stam, J., «Stable Fluids», ACM SIGGRAPH 99, p. 121−128 (1999).
- Foster, N. and Fedkiw, R., Practical Animation of Liquids. ACM SIGGRAPH 2001, p. 12−17 August 2001.
- Harlow, F.H. and Welch, J.E., «Numerical Calculation of Time-Dependent Viscous Incompressible Flow of Fluid with a Free Surface», The Physics of Fluids 8, p. 2182−2189 (1965).
- Темам P. Уравнения Навье-Стокса. M.: Мир, 1981.
- Ньюмен Дж. Морская гидродинамика. Л.: Судостроение, 1985. — 368 с.
- Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970. — 904 с.
- Габов С. А. Введение в теорию нелинейных волн. М.: Изд-во МГУ, 1988. -176 с.
- Tanizawa К. The state of the art on numerical wave tank. Proceedings of 4th Osaka Colloquium on Seakeeping Performance of Ships, Osaka, Japan, 17−21 October, 2000, pp.95−114.
- Belaev V. S., Grigoriev B. S. Simulation of waves in near-shore zone for real time applications // Proceedings of SPAS, NDTCS-2003. Vol. 7. St. Petersburg. 2003.
- Дж. Дж. Стокер. Волны на воде. Математическая теория и приложения. М.: ИЛ, 1959. 618 с.
- Вольцингер Н. Е., Клеванный К. А., Пелиновский Е. Н. Длинноволновая динамика прибрежной зоны. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 271 с.
- Лятхер В. М., Милитеев В. Н. Гидравлические исследования численными методами // Гидротехническое строительство. 1981. № 3. С. 60−79.
- Пелиновский Е. Н. Гидродинамика волн цунами / ИПФ РАН. Нижний Новгород, 1996. 276 с.
- Kass, М. and Miller, G., «Rapid, Stable Fluid Dynamics for Computer Graphics», Proceedings of S1GGRAPH 90, 24(3), pp. 49−57 (1990).
- Layton, А. Т., «Numerically Efficient and Stable Algorithm for Animating Water Waves», Visual Computer, Vol. 18, No. 1, pp. 41−53, 2002.
- Chen, J. and Lobo, N., «Toward Interactive-Rate Simulation of Fluids with Moving Obstacles Using the Navier-Stokes Equations», Graphical Models and Image Processing 57, p. 107−116 (1994).
- Schachter, В., «Long Crested Wave Models», Computer Graphics and Image Processing 12, p. 187−201 (1980).
- Fournier, A. and Reeves, W. Т., «A Simple Model of Ocean Waves», ACM SIGGRAPH 86, p. 75−84 (1986).
- Peachy, D., «Modeling Waves and Surf', ACM SIGGRAPH 86, p. 65−74 (1986).
- Khan R. A simple model of ship waves. M.Sc. thesis. Department of Computer Science, University of British Columbia. 1994.
- Триккер P. Бор, прибой, волнение и корабельные волны. Л.: Гидрометеоиздат. 1969. 286 с.
- Ле Меоте Б. Введение в гидродинамику и теорию волн на воде. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 367 с.
- Курант Р., Фридрихе К. Сверхзвуковое течение и ударные волны. М.: ИЛ, 1950. 426 с.
- Дафермос К. М. Квазилинейные гиперболические системы, вытекающие из законов сохранения. В сб. Нелинейные волны. М.: Мир, 1977. 319с.
- Rayleigh. On the theory of long waves and bores // Proc. Roy. Soc. London. Ser. A. Vol. 90. 1914.
- Годунов С. К. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидродинамики // Математический сборник. 1959. Т. 47, вып. 3. С. 271 306.
- Колган В. П. Применение принципа минимальных значений производных к построению конечно-разностных схем для расчета разрывных решений газовой динамики // Ученые записки ЦАГИ. 1972. Т. 3, № 6. С. 68−77.
- Van Leer В. Towards the ultimate conservative difference scheme. V. A second order sequel to Godunov’s methods // J. of Сотр. Phys., 1979. V. 32. No 1. P. 101−136.
- Беликов В. В., Семенов А. Ю. Построение численных методов распада разрыва для решения уравнений мелкой воды. Труды ИОФАН. Том 53. Вычислительная гидродинамика природных течений. М.: Наука. 1997. С. 5−43.
- Harten A., High resolution schemes for hyperbolic conservation laws // J. of Сотр. Phys., 1983. V. 49. P. 357−393.
- Harten A., Osher S. Uniformly high-order accurate nonoscillatory schemes. I. // SI AM J. Numer. Anal. Vol.24. No 2. 1987. P. 279−309.
- Chacravarthy S. R., Anderson D. A., Salas M. D. The split-coefficiet matrix method for hyperbolic systems of gasdynamic equations. AIAA Paper 80−0268. 1980.
- Steger J. L., Warming R. F. Flux-vector splitting of the inviscid gas dynamic equations with application to finite-difference methods // J. Comput. Phys. 1981. Vol. 40. N2. Pp. 263−293.
- Van Leer B. Flux-vector splitting for the Euler equations. Lecture Notes in Phys. 1982. V. 170. P. 507−512.
- Anderson W. K., Thomas J. L., Van Leer B. Comparison of finite volume flux vector splittings for the Euler equations // AIAA Journal. 1986. V. 24. P. 1453−1460.
- Cockburn В., Karniadakis G., and Shu C.-W. (editors). Discontinuous Galerkin Methods: Theory, Computation and Applications. Lecture Notes in Computational Science and Engineering. Vol. 11. Berlin, Springer. 2000.
- Самарский А. А. Теория разностных схем. M.: Наука. 1989. 616 с.
- Повещенко Ю. А., Попов С. Б., Сыроватская Т. Н. Исследование устойчивости двухслойных разностных схем газовой динамики в переменных Эйлера / ИПМ АН СССР. Препринт № 119. 1988. 30 с.
- Roe P. L. Approximate Riemann solvers, parameter vectors and difference schemes //J. Comput. Phys. 1981. Vol. 43. No 2. P. 357−372.
- Courant R., Isaacson E., Rees M. On the solution of nonlinear hyperbolic differential equations by finite differences // Commun. Pure Appl. Math. 1952. Vol. 5. No 3. P. 243−255.
- Papa L. Application of the Courant-Isaacson-Rees method to solve the shallow-water hydrodynamic equations // Appl. Math. Comput. 1984. Vol. 15. N 1. Pp. 85−92.
- Lax P. D. Weak solutions of nonlinear hyperbolic equations and their numerical computation // Commun. Pure Appl. Math. 1954. Vol. 7. N 1. Pp. 159−193.
- Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. Т. 1. М.: Мир, 1990. 384 с.
- Proft J. К. Adaptive Stencil and Discontinuous Galerkin Methods for Transport Equations on Triangular Grids. The University of Texas at Austin. 1999. 27 p.
- Shu C.-W. Total variation diminishing time discretizations. SIAM J. Sci. Stat. Comput. Vol. 9. 1988. Pp. 1073−1084.
- Gotlieb S. and Shu C.-W. Total variation diminishing Runge-Kutta schemes. Math. Comput. 1998. Vol. 67. N 221. Pp. 73−85.
- Shu C.-W. TVB uniformly high-order schemes for conservation laws // Math. Comput. 1987. Vol. 49. N 179. Pp. 105−121.
- Беляев B.C. Моделирование водной поверхности для графических приложений реального времени, Диссертация . магистра, Санкт-Петербург, 2002, 113 с.
- Норре Н., Progressive meshes, SIGGRAPH 96 Conference Proceedings, pp. 99 108.
- Thatcher Ulrich. Continuous LOD Terrain Meshing Using Adaptive Quadtrees. Gamasutra, February 28, 2000, htto://www.eamasutra.com/features/200 000 228/ulrich 01 .htm
- Bryan Turner. Real-Time Dynamic Level of Detail Terrain Rendering with ROAM. Gamasutra, April 03, 2000, http://www.gamasutra.com/features/200 0004Q3/turner 01 .htm
- Bryan Turner. ROAM, PhD Thesis, Umea University, 2001. http://www.cs.umu.se/~tdv94aog/ROAM.pdf
- Brian Sharp, Subdivision Surface Theory, Gamasutra, April 11, 2000, http://www.gamasutra.com/features/20 000 411/sharp 01. htm
- Mike Rayner. Dynamic Level of Detail Terrain Rendering with Bezier Patches. Gamasutra, March 21, 2000, http://www.gamasutra.com/gdc2002/features/ravner/rayner 01 .htm
- У. Прэтт, Цифровая Обработка Изображений, Мир, М., 1982
- G. М. Johnson, Computer Synthesis of Spectroradiometric Images for Color Imaging Systems Analisis, http://www.cis.rit.edu/research/mcsl/research/gmjthes.pdf
- H. Г. Ерлов. Оптика моря. JI.: Гидрометеоиздат, 1980. 248 с.
- Оптика океана. Т. 1. Физическая оптика океана. АН СССР. Ин-т океанологии им. Ширшова- 1983
- Curtis D. Mobley, Bernard Gentili, Howard R. Gordon, et al, «Coparision of numerical models for computing underwater lightfields», Applied Optics, Vol. 32, No. 32, 1993, pp. 7484−7504.
- Alan Watt, Mark Watt, Advanced Animation and Rendering Techniques, ACM Press, New York, 1992, P. 455.
- А. Исимару. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т. 1. М.: Мир, 1981. 280 с
- J. Ronald V. Zaneveld, W. Scott Pegau, «Robust Underwater Visibility Parameter», Optics Experess, Vol. 11, No. 23, 2003, pp. 2997−3009.
- S. Premoze, M. Ashikhmin, «Rendering Natural Waters,» Proceedings of the 8th Pacific Conference on Computer Graphics and Applications, Volume 20 (2001), number 4 pp. 189−199
- Kei Iwasaki, Yoshinori Dobashi, Tomoyouki Nishita, «A Volume Rendering Approach for Sea Surfaces Taking into Account Second Order Scattering Using Scattering Maps», Volume Graphics (2003)
- Andre Morel, Kenneth J. Voss, Bernard Gentili, Bidirectional reflectance of oceanic waters: A comparision of modeled and measured upward radiance fields, Journal of Geophysical Research, Vol. 100, No. C7, 1995, pp. 143−150.
- Stephane Maritorena, Andre Morel and Bernard Gentili, «Diffuse reflectance of oceanic shallow waters: Influence of water depth and bottom albedo», Limnol. Oceanogr., 39(7), 1994, pp. 1689−1703
- Curtis D. Mobley, Dariusz Stramski, W. Paul Bissett, Emmanuel Boss, Optical Modeling of Ocean Water. Is the Case 1 Case 2 Classification Still Useful?, Oceanography, Volume 17, Number 2. pp. 61−67.
- А. Иванов. Введение в океанографию М.: Мир, 1978. 574 с.
- Victor I. Mankovsky, and Vladimir I. Haltrin, Light Scattering Phase Functions Measured in Waters of Mediterranean Sea, Oceans '02 MTS/IEEE, Volume 4, pp. 23 682 373.
- Andre Morel and Louis Prieur, Analysis of variations in ocean color, Limnology and Oceanography, July 1977, v. 22(4), pp. 709−722.
- J. von Kriez, «Chromatic Adaptation», Festchrift der Albrect-Ludwig-Universitat (Friboung) (1902) Translation: D.L. MacAdam, Sources of Color Science, MIT Press, Cambridge, Mass. (1970).
- M.D. Fairchild and G.M. Johnson, Meet iCAM: A next-generation color appearance model, IS&T/SID 10 Color Imaging Conference (2002), Scottsdale, pp. 33−38.
- J. Tumblin, H. Rushmeier. Tone Reproduction for Realistic images. IEEE Computer graphics and Applications, 13(6):42--48, 1993.
- J. Tumblin. Three Methods of Detail-Preserving Contrast Reduction for Displayed Images. PhD thesis, Georgia Institute of Technology, December 1999.
- Ward, G. (1994) A Contrast-based Scalefactor for Luminance Display. In P. S. Heckbert (Ed.), Graphics Gems IV, Boston: Academic Press Professional.
- E. Reinhard, M. Stark, P. Shirley, and J. Ferwerda. Photographic tone reproduction for digital images. ACM Transactions on Graphics, 21(3):267−276, July 2002.
- Boris Barladian, Robust Parameter Estimation for Tone Mapping Operator. GraphiCon-2003, Conference Proceedings, ООО «MAX Press», 2003, pp. 106−111.
- S. N. Pattanaik, J. A. Ferwerda, J. A. Fairchild, and D. P. Greenberg, A Multiscale Model of Adaptation and Spatial Vision for Realistic Image Display, Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, pp. 287−298, ACM SIGGRAPH.
- Sumanta Pattanaik and Hector Yee, Adaptive Gain Control for High Dynamic Range Image Display, Spring Conference on Computer Graphics, Budmerice, Slovakia.
- Michael Ashikhmin, A Tone Mapping Algorithm for High Contrast Images, Eurographics Workshop on Rendering (2002), pp. 1−11.
- Jan Kautz, P.-P. Vazquez, W. Heidrich, H.-P. Seidel. A Unified Approach to Prefiltered Environment Maps, 11th Eurographics Workshop on Rendering, pp. 185−196, June, 2000.