前言：尋找寫(xiě)作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的水體虛擬仿真及運(yùn)用綜述，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來(lái)靈感，歡迎大家閱讀并分享。

作者：方貴盛 潘志庚 單位：浙江水利水電專(zhuān)科學(xué)校 杭州師范大學(xué)數(shù)字媒體與人機(jī)交互研究中心

影視動(dòng)畫(huà)中大型水場(chǎng)景的制作影視特效中大型水場(chǎng)景，如洪水、海嘯等，如果要達(dá)到某種逼真的效果，在實(shí)際拍攝取景的過(guò)程中，往往需要經(jīng)過(guò)多次拍攝才能完成。對(duì)于一些危險(xiǎn)性、破壞性場(chǎng)面不僅拍攝起來(lái)困難，而且還可能會(huì)對(duì)演員造成一定的人身安全。另外有些虛構(gòu)的場(chǎng)景也很難在現(xiàn)實(shí)世界中找到。如果能借助于計(jì)算機(jī)來(lái)生成具有高度真實(shí)感的虛擬場(chǎng)景，則可以為制作者節(jié)省大量的錢(qián)財(cái)，還可以保證人員的安全。在國(guó)內(nèi)外的電影拍攝與制作過(guò)程中，如《海神號(hào)》、《水世界》、《水嘯霧都》、《泰坦尼克號(hào)》等，均采用了虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)水場(chǎng)景特效的建模與仿真。

虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中水體的制作為了增強(qiáng)虛擬環(huán)境的真實(shí)感，往往需要在虛擬環(huán)境中添加各種自然景象。而自然景象中一個(gè)重要的組成部分便是水體的制作，包括了江河湖海、瀑布、噴泉等，如軍事仿真訓(xùn)練海戰(zhàn)場(chǎng)景中海洋仿真，河流整治效果虛擬展示、港口海岸工程與水利工程建設(shè)虛擬仿真、城市建設(shè)規(guī)劃中河流的設(shè)計(jì)等。這些水場(chǎng)景要求盡可能真實(shí)，同時(shí)滿足交互性、實(shí)時(shí)性要求。

3D游戲中水場(chǎng)景的制作電腦游戲要能吸引更多的玩家，一個(gè)趨于真實(shí)的自然景物場(chǎng)景制作非常關(guān)鍵，如逼真的江河湖海、溪流、水池、瀑布、噴泉等，可以讓玩家有種身臨其境的感覺(jué)。目前流行的一些游戲軟件中，都有一些逼真的水場(chǎng)景仿真，比較典型的有《勇闖水世界》中海天相接、波光粼粼的大海場(chǎng)景，逼真的水池仿真，《航海世紀(jì)》中壯觀的海洋、瀑布場(chǎng)景等。《極品飛車(chē)》中賽道兩邊流淌的小溪、一望無(wú)際的大海、交錯(cuò)的河流、鱗次櫛比的城市以及飛奔而下的瀑布等。

數(shù)字流域的三維可視化仿真隨著各領(lǐng)域數(shù)字化進(jìn)程的發(fā)展，水利行業(yè)正在逐步開(kāi)展數(shù)字化流域三維可視化研究，推動(dòng)數(shù)字流域建設(shè)的發(fā)展。流域三維可視化仿真研究是構(gòu)建數(shù)字流域可視化信息平臺(tái)的基礎(chǔ)，其中三維可視化仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是流域中水虛擬場(chǎng)景的仿真，包括了洪水演進(jìn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真、海浪風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)仿真、涌潮實(shí)時(shí)仿真、潰壩波仿真等。三維可視化仿真的主要目的在于利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)將科學(xué)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果轉(zhuǎn)換為三維模型，并能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真和交互控制，以彌補(bǔ)原先數(shù)值仿真中所采用的二維表現(xiàn)形式直觀性不強(qiáng)、表現(xiàn)力不足、交互性差的缺點(diǎn)。

各種水現(xiàn)象的虛擬仿真

1海浪仿真海浪作為生活中最常見(jiàn)的自然現(xiàn)象之一，其仿真結(jié)果可廣泛應(yīng)用于電腦游戲、電影電視、虛擬海戰(zhàn)環(huán)境、海港與堤岸工程建設(shè)等領(lǐng)域中，成為了水體虛擬仿真的主要研究熱點(diǎn)。海浪作為一個(gè)時(shí)刻變化的復(fù)雜環(huán)境，它的產(chǎn)生、傳播、消失與風(fēng)場(chǎng)、氣候、潮汐、水下地形等因素息息相關(guān)。海浪從外觀上看是雜亂無(wú)章的，總體上表現(xiàn)為海面連續(xù)變化的紊亂的波峰和波谷，波形極不規(guī)則，其波高、波長(zhǎng)、周期等物理量均為隨機(jī)量，傳播方向也變化不定，而且海浪的范圍非常廣闊，因此海浪的仿真十分困難。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，其研究的重點(diǎn)從最初研究靜態(tài)海浪高度場(chǎng)的生成，動(dòng)態(tài)海浪網(wǎng)格的構(gòu)建，到現(xiàn)如今研究海浪特效的生成技術(shù)等，總體上可分為三類(lèi):一類(lèi)是深海區(qū)域海浪的仿真，側(cè)重于大面積海域的構(gòu)建，以及海浪在風(fēng)作用下無(wú)規(guī)則涌動(dòng)、以及波浪翻滾的效果。這方面研究代表性的有DamienHinsinger等人［3］仿真的逼真的深海區(qū)海浪，ViorelMihalef［4］仿真的風(fēng)暴潮作用下的波浪翻滾效果;第二類(lèi)是近岸海浪的虛擬仿真，側(cè)重于仿真海浪與潮灘或堤岸交互后產(chǎn)生的浪花及波浪破碎效果，以及海面與堤岸建筑物相互映射的視覺(jué)效果等，代表性的有Peachey［5］等人仿真的近岸海浪沿海灘地形變化所產(chǎn)生的反射、折射現(xiàn)象以及浪花、泡沫等效果;QiangWang等人［6］仿真出海浪沖擊碼頭和沖上海灘形成破碎波的效果。第三類(lèi)主要研究海水在船的作用下形成的海浪效果，如曾芬芳等人［7］仿真出隨機(jī)海浪，以及艦船航行中的浪花，如艏浪、艉浪等，從而為海戰(zhàn)場(chǎng)視景圖生成創(chuàng)建了一個(gè)較為逼真的海洋虛擬場(chǎng)景。從波浪的構(gòu)造技術(shù)來(lái)看，對(duì)于深海區(qū)相對(duì)比較平靜的海浪大多采用基于波浪譜或基于Perlin噪聲函數(shù)的方法，通過(guò)構(gòu)建海面高度場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于波濤翻滾的海浪和近岸海浪，一般通過(guò)構(gòu)造特殊的波浪函數(shù)，如基于Gerstner波的方法或通過(guò)匹配適當(dāng)?shù)亩S破碎波浪庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于波浪的破碎部分和浪花的仿真，則采用基于粒子系統(tǒng)的方法，通過(guò)改變浪尖處粒子的位置、速度、顏色來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于船形波，一般先利用開(kāi)爾文波理論構(gòu)建出船行波模型，然后采用粒子系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)造出船行波的浪花。

2河流湖泊的仿真河流湖泊是數(shù)字流域的主要研究?jī)?nèi)容，同時(shí)也是虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)游戲場(chǎng)景的重要組成部分，因此其研究受到了較大的關(guān)注。相對(duì)于海洋來(lái)講，河流湖泊屬于中等尺度的流體，其研究重點(diǎn)主要關(guān)注的是兩個(gè)方面的內(nèi)容:一是仿真河水的動(dòng)態(tài)流動(dòng)效果;二是仿真水流與障礙物的交互碰撞效果等。這方面研究比較典型的有PeterKipfer等人［8］仿真的河流中水繞過(guò)巖石障礙物流入水池的仿真效果。QizhiYu［9］則實(shí)現(xiàn)了大范圍流域內(nèi)河流的三維可視化仿真技術(shù)，從近處觀察可見(jiàn)河面的波紋與漣漪，并仿真了河水分叉及繞開(kāi)障礙物進(jìn)行流動(dòng)的效果。另外程甜甜［10］針對(duì)太湖水域進(jìn)行了研究，仿真出太湖湖面連續(xù)動(dòng)蕩變化的效果，以及小面積水域內(nèi)(如水塘)雨滴落入水面后，水面波動(dòng)的效果。FabriceNeyret［11］仿真了小溪在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的振蕩波和漣漪效果等。流動(dòng)的河水仿真一般采用網(wǎng)格高度場(chǎng)的方法或基于物理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)格高度場(chǎng)的方法把河水看作是一個(gè)由大量水粒子構(gòu)成的網(wǎng)格，每個(gè)水粒子沿一定的速度和方向平穩(wěn)推進(jìn)，便可仿真出水流的動(dòng)態(tài)效果。基于物理的方法則通過(guò)求解二維淺水波方程，得到水流的速度場(chǎng)，在進(jìn)而得到水域各處的壓強(qiáng)，把壓強(qiáng)大小伸縮后當(dāng)作第三維的數(shù)據(jù)，即當(dāng)作水表面高度后，逼真地仿真物體在水域里移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的波紋或漩渦。湖泊的仿真類(lèi)似于較為平靜的海面波浪的仿真，大多采用波浪譜方法或構(gòu)造Perlin噪聲函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3水波的仿真當(dāng)物體落入水池中，會(huì)產(chǎn)生水波。水波以擾動(dòng)點(diǎn)為中心，并向四周傳播;由于水存在的一定的阻尼作用，水波在傳播過(guò)程中能量會(huì)逐漸的衰減，直至最后消失。水波的仿真為平靜的水面賦予了生機(jī)，增加了虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感。當(dāng)傳播中的水波碰到池壁反彈后會(huì)產(chǎn)生干涉與疊加效果，另外如果碰到小的障礙物后會(huì)產(chǎn)生繞射效果，增加了仿真的難度。從水波的傳播效果來(lái)看，水波仿真包括了深水波和淺水波兩個(gè)部分。在深水區(qū)域，水波可以自由地進(jìn)行傳播，而不用考慮地形和海岸線對(duì)波形的影響。在淺水區(qū)域，則需要考慮波的反射、折射、干涉、疊加等各種現(xiàn)象。從引起水波的介質(zhì)來(lái)看，則主要有雨點(diǎn)波、船行波和落物波等。雨點(diǎn)波產(chǎn)生的波紋小，但密集、波與波之間會(huì)產(chǎn)生干涉等現(xiàn)象，如楊懷平等人［12］在水池中仿真雨點(diǎn)波、反射波、紊亂波以及水花效果等。陳前華等人［13］仿真了近距離觀察雨點(diǎn)或水龍頭的水滴掉入水池后產(chǎn)生漣漪的場(chǎng)景。在水波仿真過(guò)程中同時(shí)考慮了水波的疊加、反射、繞射，以及壩缺口處的穿越效果。落物波是當(dāng)物體落入水中所產(chǎn)生的波形，同時(shí)伴隨著水花的產(chǎn)生，如NilsThuerey等人［14］仿真出物體落入水面后濺起的水花產(chǎn)生到消亡及引起的水波傳播效果。船形波是船在水上航行時(shí)產(chǎn)生的一種特殊水面波動(dòng)效果，隨船的運(yùn)行軌跡變化而變化。如CemYuksel等人［15］仿真出船行駛過(guò)程中產(chǎn)生的破碎波效果。相對(duì)于海浪來(lái)說(shuō)，水波的波紋一般較小，屬于小振幅波，而且其影響范圍也相對(duì)較小，因此其構(gòu)建一般采用小振幅波理論，通過(guò)鄰域傳播思想來(lái)構(gòu)建。還有一種方法是通過(guò)求解二維淺水方程來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)水流方程控制水波的傳播效果。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

4噴泉的仿真逼真的噴泉效果可以大大增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感。噴泉的形式多種多樣，如一柱擎天式、寶塔式等，同時(shí)當(dāng)噴泉噴水口的壓力值比較高時(shí)，高速的水流與空氣碰撞會(huì)產(chǎn)生很多水霧，使噴泉產(chǎn)生霧蒙蒙的效果。逼真的噴泉仿真同樣是虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中不可或缺的景象，成為許多虛擬現(xiàn)實(shí)愛(ài)好者的重要研究對(duì)象。如萬(wàn)華根等人［16］實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)噴泉的實(shí)時(shí)仿真。他采用流體動(dòng)力學(xué)和粒子系統(tǒng)方法，通過(guò)求解納維—斯托克斯方程的特例———均勻圓管中的平穩(wěn)流體Hagen－Poisuelle流來(lái)仿真噴泉的動(dòng)作，結(jié)合音樂(lè)的強(qiáng)度來(lái)控制噴泉噴射的高度。肖何等人［17］提出了一種基于等加速運(yùn)動(dòng)和色彩融合的噴泉仿真方法。其基本思想是在運(yùn)用物理學(xué)原理仿真實(shí)現(xiàn)噴泉粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，結(jié)合等加速運(yùn)動(dòng)來(lái)簡(jiǎn)化粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并采用紋理色彩融合繪制粒子。蔣恒恒等人［18］仿真出噴泉在不同噴射層數(shù)、不同噴射角度、不同噴射力作用下形成的視覺(jué)效果，同時(shí)仿真了噴泉從高處向下落入水面時(shí)產(chǎn)生的水花效果。

5瀑布的仿真當(dāng)流動(dòng)的河水流經(jīng)具有一定落差的巖石或大壩時(shí)，便成了瀑布。瀑布的仿真可用于網(wǎng)上虛擬漫游系統(tǒng)、3D實(shí)時(shí)游戲、動(dòng)畫(huà)及影視廣告的制作過(guò)程中，也可以重現(xiàn)消失的瀑布景觀。由于受地形和風(fēng)力風(fēng)向的影響，瀑布的形狀千姿百態(tài)，特別是瀑布流下時(shí)與障礙物的碰撞形成的水花飛濺現(xiàn)象更是難以仿真。瀑布仿真相對(duì)比較逼真的有管宇等人［19］仿真出水流下大壩時(shí)形成的瀑布效果，同時(shí)考慮了瀑布與物體間碰撞時(shí)形成的水花效果。張亞旭［20］不僅實(shí)現(xiàn)了水流從高處流下時(shí)形成的瀑布效果，而且仿真出與巖石碰撞后的水花飛濺效果，此外還加入了天空、光照和霧化等效果來(lái)增加場(chǎng)景的真實(shí)感。瀑布的仿真常采用基于粒子的方法，通過(guò)改變粒子群的位置、速度、加速度等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)逼真的瀑布效果。

6洪水的仿真洪水作為一種自然現(xiàn)象，給人類(lèi)造成極大的災(zāi)難。隨著計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)和流體仿真技術(shù)的發(fā)展，使得在計(jì)算機(jī)上仿真洪水的行為特性成為可能。對(duì)洪水淹沒(méi)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和三維可視化展示，可以再現(xiàn)和預(yù)測(cè)洪水淹沒(méi)的變化，為防洪減災(zāi)提供決策支持。因此其研究也受到了很大的關(guān)注。比較典型的有Jasrul等人［21］采用基于光滑粒子動(dòng)力學(xué)的方法，針對(duì)2007年6月10日發(fā)生在吉隆坡的洪水淹沒(méi)過(guò)程進(jìn)行了仿真;康玲等人［22］采用基于數(shù)字高程模型的流域變動(dòng)等流時(shí)線方法開(kāi)發(fā)出洪水演進(jìn)仿真系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)仿真流域洪水的淹沒(méi)演進(jìn)過(guò)程，較為逼真地仿真了洪水在流域內(nèi)的形態(tài)變化，為防洪減災(zāi)提供了較好的決策支持。

7其它水現(xiàn)象的仿真除了針對(duì)海洋、江河、湖水、小溪、噴泉、瀑布等中大尺度范圍的水體進(jìn)行虛擬仿真外，國(guó)內(nèi)外許多科研人員還針對(duì)一些小尺度的水現(xiàn)象進(jìn)行了仿真研究。如HilkoCords［23］仿真出水管中的水快速流入水池，并產(chǎn)生水波，以及物體在水面漂浮的視覺(jué)效果。DouglasEnright等人［24］仿真出水倒入杯子時(shí)水的晃動(dòng)效果。Jeong－MoHong等人［25］仿真出水倒入容器時(shí)氣泡流的形成過(guò)程。PaulW．Cleary等人［26］仿真出啤酒倒入杯中產(chǎn)生泡沫的過(guò)程。對(duì)于小尺度的水體，大多采用基于物理的方法，通過(guò)求解光滑粒子動(dòng)力學(xué)方法和歐拉法求解三維Navier－Stokes方程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

研究趨勢(shì)

縱觀三十年來(lái)水體研究的發(fā)展變化過(guò)程，從最初主要研究海浪的虛擬仿真，到現(xiàn)如今研究各種水現(xiàn)象與水景觀的虛擬仿真;從最初的靜態(tài)仿真到現(xiàn)如今逼真的動(dòng)態(tài)仿真;從單純依賴(lài)CPU到現(xiàn)如今CPU與GPU相結(jié)合實(shí)現(xiàn)水體的仿真與渲染，無(wú)論是在研究方法上，還是在研究?jī)?nèi)容上，都有了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是GPU技術(shù)的廣泛應(yīng)用，必將迎來(lái)水體研究新的熱潮。今后一段時(shí)期水體的主要研究方向可歸結(jié)為兩點(diǎn):多方法融合、多物體融合。

1多方法融合在研究方法上，從單一建模方法向多方法融合轉(zhuǎn)變。因?yàn)閷?duì)于一個(gè)復(fù)雜水場(chǎng)景的仿真，很難用一種方法表示出各種視覺(jué)效果。如虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)景中，對(duì)于海浪的仿真，不僅需要仿真出風(fēng)平浪靜時(shí)海面的視覺(jué)效果，還需要仿真出波濤洶涌的海浪所產(chǎn)生的浪花、泡沫等，同時(shí)需要仿真船在海面航行時(shí)所產(chǎn)生的軌跡浪等。因此結(jié)合每種建模方法各自的特點(diǎn)進(jìn)行綜合處理，從而可以達(dá)到性能和效果的平衡。比如黃玲等人［27］采用了基于3DGerstner海浪模型、Perlin噪聲、NURBS幾何曲面、粒子系統(tǒng)等多種方法實(shí)現(xiàn)海洋卷浪的建模與繪制。她首先基于三維Gerstner海浪模型，加入Perlin噪音擾動(dòng)來(lái)構(gòu)建海浪的基本造型;然后采用基于物理的NURBS卷浪曲面生成算法，構(gòu)建3D卷浪曲面庫(kù);隨后動(dòng)態(tài)搜索波面波峰，用卷浪曲面取代海面波峰，將卷浪曲面與初始波面無(wú)縫拼接，最后采用基于粒子系統(tǒng)的方法構(gòu)造出海浪的泡沫。NathanHolmberg等人［28］采用流體靜力學(xué)理論產(chǎn)生二維高度場(chǎng)，然后構(gòu)造一個(gè)非均勻有理B樣條曲面來(lái)實(shí)現(xiàn)高度場(chǎng)的擬合，以此來(lái)構(gòu)建主要水體;水與物體碰撞產(chǎn)生的浪花則用粒子方法來(lái)構(gòu)建。

2多物體融合在研究對(duì)象上，從研究單個(gè)水體到研究水體與其它物體的交互方向轉(zhuǎn)變。在這方面，近些年重點(diǎn)研究的對(duì)象主要有風(fēng)暴對(duì)海面的影響，船與水的交互、海水與潮灘的交互，河水與堤壩的交互，瀑布與巖石的交互、洪水與地形及建筑物的交互、物體落入水中的交互、水倒入容器產(chǎn)生的交互等。如ToonLenaerts等人［29］仿真了水與多孔材料的交互過(guò)程。當(dāng)擰一條濕的毛巾或捏一塊帶水的海綿時(shí)，水會(huì)逼真地從中流出。WitawatRungjiratananon［30］仿真了沙堆在水的沖擊下塌陷、流動(dòng)、變濕的過(guò)程。ToonLenaerts等人［31］仿真了水與沙及土壤之間的交互現(xiàn)象。當(dāng)水流入沙堆時(shí)，沙受水力的沖擊而流動(dòng)，同時(shí)水融入沙堆中使沙變濕，達(dá)到了沙與水的相互融合。NuttapongChentanez等人［32］仿真了水倒入容器、潰壩后的水體沖擊墻體，以及近岸海浪沖擊燈塔和海灘時(shí)產(chǎn)生的破碎波、浪花、泡沫和薄霧的效果。H．Cords等人［33］逼真地仿真出船在水面上行駛產(chǎn)生的水波和繞過(guò)障礙物的效果等。

結(jié)論

水虛擬仿真建模一直是影視制作、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、虛擬現(xiàn)實(shí)、電腦游戲、數(shù)字流域等領(lǐng)域的主要研究熱點(diǎn)，經(jīng)過(guò)研究人員近四十年來(lái)不懈的努力，目前無(wú)論是在交互性、實(shí)時(shí)性、逼真度方面都取得了較大的進(jìn)步，得到了廣泛的應(yīng)用。由于水體建模涉及的范圍廣，很難囊括所有類(lèi)別，因此本文主要針對(duì)目前研究比較熱門(mén)的幾種水體，如海浪、河流、噴泉、瀑布、洪水等，從其應(yīng)用范圍、研究方向、研究方法等幾個(gè)方面進(jìn)行闡釋?zhuān)康脑谟跒橄Ｍ麖氖屡c水虛擬仿真有關(guān)的研究人員提供參考與借鑒作用。由于篇幅的關(guān)系，本文沒(méi)有詳細(xì)介紹有關(guān)水體建模與渲染方面的方法，有待另文加以闡述。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#