三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)海底環(huán)境渲染研究

丁靜靜，馬國(guó)軍，2，朱 琎，曾慶軍

(1.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.鎮(zhèn)江市智慧海洋信息感知與傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

1 引言

三維海洋環(huán)境的可視化渲染包括海面、海底和水體環(huán)境，一直以來(lái)都是虛擬可視化方面的熱點(diǎn)問(wèn)題，在航海模擬、海戰(zhàn)仿真、海底探測(cè)和海底開(kāi)采等方面有重要意義。目前，對(duì)海洋環(huán)境的虛擬可視化主要集中在對(duì)海面和地形的模擬與應(yīng)用。

在海底地形方面，海底地形的建模和渲染是海底仿真的關(guān)鍵技術(shù)[1，2]。文獻(xiàn)[3]將海底地形TIN模型轉(zhuǎn)換為OpenFlight三維數(shù)據(jù)模型，經(jīng)過(guò)分層設(shè)色的紋理映射，構(gòu)建海底地形模型，該方法包含的三角形面片數(shù)大、加載時(shí)間長(zhǎng)。文獻(xiàn)[4]利用Virtual Planet Builder工具對(duì)海底地形數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，提出層次細(xì)節(jié)法構(gòu)建各種規(guī)模的分塊分頁(yè)地形數(shù)據(jù)模型，生成的海洋三維場(chǎng)景地形模型，更加真實(shí)的繪制地形，但工作量大且只適用簡(jiǎn)單的小場(chǎng)景地形。文獻(xiàn)[5，6]提出基于HSL顏色模型的海底地形多色漸變渲染與配色方法，對(duì)于起伏不明顯的地形，HSL模型與RGB模型幾乎沒(méi)有區(qū)別。

在海水與地形、光線交互時(shí)，主要產(chǎn)生刻蝕和光束現(xiàn)象?？涛g和光束作為復(fù)雜的物理現(xiàn)象，是由于投射的光線被反射或折射而形成的。文獻(xiàn)[7]將刻蝕圖技術(shù)引入水下光照的渲染，運(yùn)用光線行進(jìn)技術(shù)渲染水下光束，結(jié)合FFT水面的周期性對(duì)刻蝕圖進(jìn)行改進(jìn)，但大大降低了繪制的效率，且無(wú)法動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)海底環(huán)境的可視化。文獻(xiàn)[8]在光照?qǐng)D像基礎(chǔ)上利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)刻蝕圖進(jìn)行分類與篩選，增強(qiáng)刻蝕的效果，但并沒(méi)有改變刻蝕的可視化方法。文獻(xiàn)[9]提出設(shè)置水面和水下雙相機(jī)，根據(jù)前視點(diǎn)與海平面的高度差來(lái)自動(dòng)切換相機(jī)；在水面下，考慮折射、Godray與霧化效果的海底地形，繪制出逼真的海底效果，但加大了繪制的難度。

上述可視化方法對(duì)整個(gè)海底環(huán)境的動(dòng)態(tài)可視化從地形繪制、刻蝕生成和光束渲染等三方面考慮，在系統(tǒng)性和全面性方面略顯不足。同時(shí)，在可視化過(guò)程中，數(shù)據(jù)處理過(guò)程復(fù)雜，處理效率低。針對(duì)上述問(wèn)題，提出地形、刻蝕、光束和氣泡多元素融合的渲染方法，將高程數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為obj模型，通過(guò)簡(jiǎn)化模型與GPU提前加載模型，加快繪制速度；通過(guò)將模型與法線紋理相結(jié)合，增強(qiáng)繪制效果。通過(guò)分解器與計(jì)時(shí)器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)刻蝕渲染。在此基礎(chǔ)上通過(guò)將光線步進(jìn)算法和粒子系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光束和氣泡的仿真渲染，在簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理流程的同時(shí)，可以高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)海底環(huán)境動(dòng)態(tài)可視化。

2 基于數(shù)據(jù)模型的地形建立

三維地形生成是動(dòng)態(tài)海底環(huán)境渲染中最重要的部分，地形數(shù)據(jù)有模擬數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)兩種類型。模擬地形數(shù)據(jù)通過(guò)軟件生成，然后進(jìn)行插值計(jì)算，但無(wú)法真實(shí)反映海底地形的情況。真實(shí)地形數(shù)據(jù)通過(guò)直接測(cè)量的方式或從現(xiàn)有地形圖上采集，利用聲納、電子海圖或遙感衛(wèi)星海洋高程圖來(lái)獲取。利用真實(shí)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行建模時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型采取相應(yīng)的處理方法。為增強(qiáng)海底地形生成的真實(shí)性，本文采用遙感衛(wèi)星海洋高程圖數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建三維地形，設(shè)計(jì)將地形數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)相結(jié)合的三維地形渲染方案，如圖1所示。

圖1 地形渲染實(shí)現(xiàn)方案

2.1 地形數(shù)據(jù)處理

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)是高程Z關(guān)于平面坐標(biāo)X、Y兩個(gè)自變量的連續(xù)函數(shù)，是一個(gè)有限的離散表示。數(shù)字高程模型是單純的單項(xiàng)數(shù)字地貌模型，不包括坡度、坡向等，其數(shù)據(jù)組織表達(dá)方式主要有規(guī)則矩形網(wǎng)格和不規(guī)則三角網(wǎng)。本文采用的DEM為T(mén)IF格式，其數(shù)據(jù)顯示如圖2所示。

圖2 DEM數(shù)據(jù)顯示圖

數(shù)字高程數(shù)據(jù)在圖中通過(guò)不同顏色來(lái)表示深度的大小，藍(lán)色表示深度較淺，紅色表示深度較深。從圖2可以看出，地形的數(shù)據(jù)量龐大，直接處理速度會(huì)非常慢。將TIF格式的圖像轉(zhuǎn)換為obj模型的文件再優(yōu)化和簡(jiǎn)化，可加快處理速度。

將TIF格式的圖像轉(zhuǎn)換為obj模型的過(guò)程如下：

1)提取數(shù)字高程值。利用python庫(kù)中的getdata函數(shù)，根據(jù)數(shù)字高程模型圖像的大小及空間分辨率輸出高程值的大小和下標(biāo)，本文圖像的寬度為3264像素，高度為1344像素，波段數(shù)為1，位深度為32，比例尺(72DPI)為1:72223，空間分辨率為19.109257米/像素；

2)生成obj模型。從圖2可以看出，海底地形數(shù)據(jù)起伏不明顯，利用blend軟件通過(guò)調(diào)整數(shù)據(jù)的比例大小以優(yōu)化模型；

3)簡(jiǎn)化模型。雖然obj規(guī)范簡(jiǎn)單，但仍然需要很大的空間來(lái)導(dǎo)出幾何和網(wǎng)格/材質(zhì)組合，因此需要進(jìn)行清理操作，將obj文件中重復(fù)的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)合并以減小文件大小，加快模型的載入和渲染，obj模型優(yōu)化前后的效果如圖3所示。

圖3 obj模型優(yōu)化前后

2.2 紋理數(shù)據(jù)處理

紋理數(shù)據(jù)主要是指紋理圖像，本文的紋理數(shù)據(jù)為地形的法線紋理。由于光線的反射由法線決定，因此法線的獲取和計(jì)算是影響渲染效果的決定性因素。

凹凸映射使用紋理改變模型表面的法線，該方法并不是真的改變模型的頂點(diǎn)位置，而只是讓模型看起來(lái)凹凸不平。為節(jié)約計(jì)算資源和降低復(fù)雜度，本文采用法線映射實(shí)現(xiàn)凹凸映射，用法線紋理直接存儲(chǔ)表面法線的方向。在實(shí)時(shí)渲染過(guò)程中，頂點(diǎn)法線無(wú)需直接計(jì)算，OpenGL以紋理參數(shù)的形式連續(xù)的傳遞給GPU，從而確保了GPU像素著色器可以快速實(shí)現(xiàn)。

像素的分量為[0，1]，而法線方向的分量在[-1，1]，此處需要做映射

(1)

式中，normal表示法線分量的大小，pixel表示像素分量的大小。

2.3 地形渲染

準(zhǔn)備好地形模型和紋理數(shù)據(jù)后，即可進(jìn)行GPU的渲染。利用OpenGL中的頂點(diǎn)著色器、幾何著色器和片段著色器實(shí)現(xiàn)，其主要步驟為：

步驟1：在頂點(diǎn)著色器中設(shè)置光照模型。現(xiàn)實(shí)世界的光照是極其復(fù)雜的，會(huì)受到諸多因素的影響，因此OpenGL的光照使用的是簡(jiǎn)化的模型，對(duì)現(xiàn)實(shí)的情況進(jìn)行近似，所用的模型為馮氏光照模型(Phong Lighting Model)。馮氏光照模型的主要結(jié)構(gòu)由3個(gè)分量組成：環(huán)境(Ambient)、漫反射(Diffuse)和鏡面(Specular)光照。

把光源的顏色與物體的顏色值相乘，所得到的就是這個(gè)物體所反射的顏色(也就是人們所感知到的顏色)。圖形學(xué)中將這兩個(gè)顏色向量作分量相乘，結(jié)果就是最終的顏色向量，創(chuàng)建光源并設(shè)置屬性，包括位置、方向，設(shè)置亮度增益為0.02、散射增益為0.005；

步驟2：設(shè)置顏色模型為 RGBA模型；

步驟3：建立Mesh對(duì)象。將加載的海底地形的obj模型通過(guò)Mesh繪制海底地形；

步驟4：紋理貼圖。通過(guò)OpenGL將繪制的地形與紋理數(shù)據(jù)相結(jié)合，分為兩步：

1)設(shè)置紋理環(huán)繞方式為重復(fù)紋理圖像；

2)設(shè)置紋理過(guò)濾模式。在渲染需要的細(xì)節(jié)分辨率超過(guò)第0層時(shí)，開(kāi)啟線性濾波；否則，選用多級(jí)漸遠(yuǎn)紋理降低漫游時(shí)由于視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渲染圖像上的瑕疵。

3 基于光學(xué)的刻蝕和光束可視化

當(dāng)光線進(jìn)入水中時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。水面的不均勻性會(huì)導(dǎo)致光線聚集或發(fā)散，同時(shí)，水中存在的大量懸浮顆粒。使得光線能量衰減，部分光線會(huì)偏離原來(lái)的傳播方向，形成光束；其它光線傳播到海底并照亮地面形成刻蝕。當(dāng)水面波動(dòng)時(shí)，刻蝕也會(huì)波動(dòng)。

在海底環(huán)境實(shí)時(shí)渲染中，刻蝕和光束的仿真主要有以下兩個(gè)難點(diǎn)：①刻蝕和光束的模擬要表現(xiàn)出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的頂點(diǎn)變化；②刻蝕要能夠適應(yīng)漫游相機(jī)在遠(yuǎn)、近、高、低等不同視點(diǎn)位置，平視、俯視、仰視等不同視角時(shí)的視景真實(shí)性需求。

3.1 刻蝕渲染

要準(zhǔn)確的繪制光的刻蝕效果，需要根據(jù)光的折射定律，計(jì)算光線在水中的折射方向，如圖4所示。

圖4 光線折射原理

式中，p1為入射點(diǎn)，p2為交點(diǎn)，r為折射光線單位向量。

計(jì)算光線和海底的交點(diǎn)需要遍歷整個(gè)海底，而海底的凹凸不平使得公式計(jì)算量非常巨大。海面的不停變化使刻蝕也隨之變化，此時(shí)采用動(dòng)態(tài)紋理的方法，在GPU中進(jìn)行折射運(yùn)算，加快繪制效率。將刻蝕貼圖的紋理投影到場(chǎng)景中的物體上，省去了對(duì)大量光線折射與反射的實(shí)時(shí)計(jì)算。刻蝕的可視化過(guò)程為：

1)刻蝕紋理的制作。獲取待渲染海底區(qū)域當(dāng)前時(shí)刻之前連續(xù)n個(gè)時(shí)刻的靜態(tài)水刻蝕紋理圖像，所述靜態(tài)水刻蝕紋理圖像中相鄰圖像的時(shí)間差小于預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔L(x)；

2)法線紋理生成。將刻蝕的紋理圖像轉(zhuǎn)換成法線紋理圖像，增強(qiáng)視覺(jué)效果；

3)刻蝕濾波。為了提高圖像質(zhì)量，渲染前對(duì)刻蝕圖進(jìn)行濾波。由于光子相對(duì)分散的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)低采樣，造成刻蝕圖噪聲較大。本文采用基于GPU的高斯模糊來(lái)降低噪聲，隨著模糊半徑(radius)的增大，圖像越模糊。本文在模糊半徑為3時(shí)，達(dá)到較為滿意的效果，如圖5所示。

圖5 刻蝕圖濾波

4)刻蝕渲染。將紋理圖像生成的頂點(diǎn)紋理寫(xiě)入顯存，在逐幀渲染時(shí)通過(guò)OpenGL以參數(shù)形式傳遞給GPU頂點(diǎn)程序，對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行紋理采樣，同時(shí)設(shè)置折射率和水深，計(jì)算折射方向，確定新的頂點(diǎn)位置。

3.2 光束渲染

光散射是一種自然現(xiàn)象，散射效果可以為場(chǎng)景帶來(lái)真實(shí)感。當(dāng)遮光物體被光源照射時(shí)，在其周?chē)尸F(xiàn)光的放射性泄漏，稱為體積光。由于光可以從任何地方散射到相機(jī)，使得體積光難以實(shí)時(shí)模擬[10]。在模擬散射過(guò)程中，利用封堵器操作技術(shù)以消除或增加所得光軸的明顯復(fù)雜性，并通過(guò)增強(qiáng)光軸邊界來(lái)強(qiáng)調(diào)物體的形狀[11]；也可以通過(guò)計(jì)算體積軟陰影，以交互式直接實(shí)現(xiàn)體積可視化[12，13]。

對(duì)水下光束的模擬，假設(shè)L(x)為光線能量的變化函數(shù)，x為該光線在某一處的位置，如圖4(b)所示。L(x)的函數(shù)式定義為：

L(x)=I·α(p1，x)·β(x，e)·p(θ，g，α，h)·c

(3)

式中，I為光線照射到海面某點(diǎn)的光強(qiáng)，α(p1，x)為光線的衰減函數(shù)，p1和x分別為光線的起始點(diǎn)和光線路徑上的采樣點(diǎn)，β(x，e)為從眼睛位置到光線位置的衰減函數(shù)，e為觀察點(diǎn)的位置，p(θ，g，α，h)為海水的散射相位函數(shù)，θ為光線與攝像機(jī)位置的夾角，g為前向相位函數(shù)非對(duì)稱因子，α為前向相位函數(shù)的權(quán)重，h為后向相位函數(shù)的非對(duì)稱因子，c為散射系數(shù)。

上述光束的渲染需要大量的計(jì)算，本文通過(guò)GPU對(duì)刻蝕圖進(jìn)行采樣，大大加快渲染速度。繪制光束需要在片元著色器中設(shè)置亮度增益和散射增益，利用光線行進(jìn)技術(shù)，設(shè)置采樣步長(zhǎng)對(duì)刻蝕圖進(jìn)行采樣，根據(jù)衰減函數(shù)計(jì)算亮度值。

具體步驟為在OpenGL主程序中渲染一個(gè)全屏的矩形；在片段著色器中，從近裁剪面開(kāi)始，光線行進(jìn)視景體，沿著視線方向?qū)λ涛g紋理圖像進(jìn)行采樣。采樣的步長(zhǎng)決定了仿真精度，步長(zhǎng)值大，精度較低；步長(zhǎng)值小，精度較高，但渲染速度低。采樣的步長(zhǎng)值根據(jù)水刻蝕紋理的位置到視點(diǎn)的距離與光線總長(zhǎng)度的比值來(lái)確定，將步長(zhǎng)值限定在(0.01，1)的范圍內(nèi)。

將當(dāng)前采樣點(diǎn)投影到光源空間，用得到的x，y分量作為光束紋理坐標(biāo)采樣刻蝕圖；所述x，y 分量為當(dāng)前片元的窗口相對(duì)坐標(biāo)；采樣值作為本采樣點(diǎn)對(duì)片元的強(qiáng)度貢獻(xiàn)，并加入指數(shù)衰減，計(jì)算最終的片元強(qiáng)度；所述光線上位置處的片元強(qiáng)度利用式(3)計(jì)算。

亮度增益設(shè)為0.02，散射增益為0.005。

4 氣泡渲染

氣泡是海底動(dòng)態(tài)環(huán)境中的重要組成部分，氣泡的渲染主要通過(guò)粒子系統(tǒng)模擬。粒子系統(tǒng)是一個(gè)具有“生命”的系統(tǒng)，可以生成一系列運(yùn)動(dòng)演化圖像，從而可以模擬動(dòng)態(tài)自然場(chǎng)景。

粒子系統(tǒng)的模擬是在世界空間幾何體中實(shí)現(xiàn)的，首先使用頂點(diǎn)著色器將局部空間的幾何體變換到世界和人眼空間，在人眼空間完成常規(guī)渲染，然后在世界空間用粒子系統(tǒng)完成氣泡的模擬，流程如圖6所示。

圖6 粒子系統(tǒng)產(chǎn)生粒子流程圖

該粒子系統(tǒng)算法的詳細(xì)步驟為：

步驟1：產(chǎn)生新的粒子。初始化每一新粒子的數(shù)量、位置和速度，氣泡初始化位置為海底地面。粒子的位置和速度向量保存在兩個(gè)緩存中，緩存中的每個(gè)頂點(diǎn)代表一個(gè)單一粒子；

步驟2：設(shè)置氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡。設(shè)置粒子運(yùn)動(dòng)的速度為時(shí)間的一半，位置為時(shí)間和速度的乘積，方向向海面方向運(yùn)動(dòng)，粒子的速度有最大值限制；

步驟3：在頂點(diǎn)著色器中進(jìn)行碰撞檢測(cè)，由此得到新的位置和速度向量，然后寫(xiě)入緩存中；

步驟4：判斷粒子是否超過(guò)海面的高度，如果超過(guò)，就刪除粒子；否則，重復(fù)步驟3；

步驟5：進(jìn)行點(diǎn)的光柵化和在片元著色器中進(jìn)行顏色渲染。對(duì)氣泡紋理進(jìn)行變換，修改alpha通道透明度，使其更具有真實(shí)感。

圖7 氣泡紋理透明度變換

5 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)地形數(shù)據(jù)采用黃海地形數(shù)據(jù)，經(jīng)緯度坐標(biāo)系為WGS84。左上角坐標(biāo)為(121.81640625，35.68359375)，右上角為(124.0576171875，35.68359375)，右下角為(124.0576171875，34.7607421875)，左下角為(121.81640625，34.7607421875)。海深大約在-30到-90米之間。計(jì)算機(jī)為windows7系統(tǒng)，編程環(huán)境為Visual Studio 2015和OpenGL三維圖形庫(kù)，CPU 為AMD E1_2100 APU，主頻內(nèi)存大小為2GB，圖形卡為AMD Radeon HD8210，顯存為2GB。

本文利用obj模型與紋理相結(jié)合的方法，加快繪制速度。在光線方面，在頂點(diǎn)著色器中進(jìn)行反射變換和在片元著色器中進(jìn)行光線行進(jìn)，極大利用GPU的加速功能；在氣泡的粒子系統(tǒng)中利用雙緩存技術(shù)，加快了繪制速度。圖8為本文算法的繪制結(jié)果，分別從平視、仰視和俯視等角度展現(xiàn)渲染效果。

圖8 本文海底繪制效果

文獻(xiàn)[14]基于空間體剖分和積分運(yùn)算的繪制效果如圖9(a)所示，文獻(xiàn)[15]基于刻蝕體理論和光線繪制法的繪制結(jié)果如圖9(b)所示，文獻(xiàn)[7]基于刻蝕圖技術(shù)的繪制效果如圖9(c)所示。

圖9 參考文獻(xiàn)繪制效果

為了比較不同算法，分別從光束、散射、氣泡和海底環(huán)境等方面，比較不同方法的繪制效果和繪制速度，結(jié)果如表1所示。

表1 本文方法與其它方法繪制效果對(duì)比

從總體來(lái)看，本文算法實(shí)現(xiàn)的氣泡和動(dòng)態(tài)刻蝕增加了海底環(huán)境渲染的動(dòng)態(tài)感和真實(shí)感。圖8與圖9(a)相比，首先本文構(gòu)建了一個(gè)復(fù)雜的崎嶇不平的大地形環(huán)境，形成的光束也比較明顯，而文獻(xiàn)[14]只有刻蝕，且積分計(jì)算耗費(fèi)大量時(shí)間，繪制速度慢。將圖8與圖9(b)相比，其次在光束方面本文利用GPU對(duì)刻蝕圖采樣更加具有真實(shí)感，加快繪制速度。將圖8與圖9(c)相比，最后本文海底地形復(fù)雜，且通過(guò)動(dòng)態(tài)紋理實(shí)現(xiàn)刻蝕的可視化渲染，而文獻(xiàn)[7]只有靜態(tài)的刻蝕圖。

6 結(jié)束語(yǔ)

海底環(huán)境渲染是虛擬可視化的重要研究方向之一，在軍事，民用方面都有重要意義。本文提出地形，刻蝕，光束和氣泡相融合的多元素渲染方法。首先通過(guò)真實(shí)的高程數(shù)據(jù)建立obj模型，簡(jiǎn)化模型同時(shí)利用GPU加速，在加載地形過(guò)程中可以達(dá)到秒加載，加載效率提高了98%，其次在繪制刻蝕、光束和氣泡過(guò)程中，繪制速度達(dá)到15fps，滿足實(shí)時(shí)繪制要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可以兼顧繪制效果和效率。