三维水面可视化技术的原理

水面具有起伏、流动、反射、折射等效果。在计算机图形学中，水面的波动通常采用两种思路实现，第一种是把水的表面剖分成均匀的网格，然后通过GPU中的顶面着色器控制每个网格顶点按照特定规律运动。第二种是通过控制GPU中的片元着色器，使得水面的凹凸纹理随时间平移来实现。在三维GIS中的数据量大，所以渲染性能尤为关键。而第二种思路中由于不用计算大量顶点的位置，其渲染性能更高，所以本文所实现的系统中采用第二种思路。

水面的反射的基本实现思路是纹理渲染。在每一帧中对场景进行两次渲染，第一次渲染时，将场景中水面对象设置为不可见，然后把相机移动到关于反射面对称的位置，渲染场景到一张纹理上；第二次渲染时将整个场景设置为可见，把刚才得到的反射纹理作为水面的纹理进行渲染。当相机距水面位置较远时，其反射效果很不显著，为了渲染性能，此时不进行第一次渲染，而采用一种静态纹理来代表反射面。

折射效果通常用来表现水底情况。本文采用多重纹理方式实现折射效果，采用第一层纹理存储水面表面法向量，第二层纹理表现反射物体，第三层纹理存储水底折射物体。当光到达材质的交界面时，一部分光被反射，而另一部分将发生折射，这个现象称为菲涅尔效应。菲涅尔效应混合了反射和折射，使得物体更真实。理论物理汇总的菲涅尔公式是非常复杂的，而在实时图形学中只要在最终效果上满足人们的视觉感受就可以了，因此本文采用了以下简化公式来计算水面的折射和反射混合参数，然后根据该参数混合折射和反射纹理的颜色作为水面像元的颜色。