Real-time Sea Rendering for Maritime Simulator
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-05-20
Department
Major/Subject
Computer Science
Mcode
SCI3042
Degree programme
Master’s Programme in Computer, Communication and Information Sciences
Language
en
Pages
87
Series
Abstract
Maritime simulators are important tools in training sea captains. Credible depiction of the sea is essential in these simulators. However, a virtual sea is difficult to construct. The sea waves have to be reproduced in an authentic manner on a seemingly infinite surface. A wide range of sea states have to be imitated convincingly from dead calm to a storm. In addition, the recognizable lighting phenomena on the sea surface have to be simulated, with reflection and refraction involved. A maritime simulator is an interactive application, requiring the simulation of all these phenomena in real-time. This Master's thesis investigates the process of real-time sea rendering in maritime simulators, assembling existing literature and methods into one broad survey. The work focuses on three core aspects of sea rendering: wave simulation, geometric modeling and realistic shading. The famous Tessendorf wave simulation method is adopted as the foundation for wave dynamics due to its superior quality and performance. Several techniques are explored to find the most suitable geometric representation for the sea. The shading aspect involves developing a model that captures the visual characteristics of the sea, including reflection, refraction and whitecaps. A practical component of the thesis includes the development of an OpenGL test application to implement the aforementioned three concepts, primarily utilizing GPU processing for enhanced performance. The implemented application integrates the Tessendorf wave simulation through OpenGL compute shaders, employs an experimental geometry clipmap structure for the sea geometry and incorporates a basic shading model to simulate realistic sea visuals. The implementation proved itself to be a working starting point for sea rendering in a maritime simulator.Merenkulun simulaattori on tärkeä työkalu tulevien merikapteenien kouluttamisessa. Uskottava meri on olennainen osa näitä simulaattoreita. Virtuaalisen meren luominen on kuitenkin haastavaa. Meren aallot on toteutettava todentuntuisesti valtavalle pinta-alalle. Monenlaiset meriolosuhteet tyynestä myrskyyn on jäljiteltävä vakuuttavasti. Lisäksi tunnistettavat valoilmiöt meren pinnalla on simuloitava, kuten valon heijastus ja taittuminen. Merenkulun simulaattori on interaktiivinen sovellus, joka vaatii kaikkien näiden ilmiöiden simuloimisen reaaliajassa. Tämä diplomityö tutkii reaaliaikaisen meren piirtämistä merenkulun simulaattorissa kooten olemassa olevaa kirjallisuutta ja menetelmiä yhdeksi laajaksi katsaukseksi. Työ keskittyy meren piirtämisen kolmeen tärkeimpään näkökohtaan: aaltosimulaatioon, meren geometriseen toteuttamiseen ja realistiseen valaistukseen. Kuuluisa Tessendorfin aaltosimulaatiomenetelmä on valittu työssä aaltodynamiikan perustaksi sen laadun ja suorituskyvyn vuoksi. Työssä tarkastellaan useita tekniikoita sopivan geometrisen esityksen löytämiseksi merelle. Työssä myös käsitellään valaistusmallia, joka tuottaa meren olennaisimmat visuaaliset ominaisuudet: valon heijastumisen sekä vaahtopäät. Työn käytännön osuus sisältää OpenGL-testisovelluksen kehittämisen, joka toteuttaa edellä mainitut kolme konseptia hyödyntäen pääasiassa näytönohjainta tehostetun suorituskyvyn saavuttamiseksi. Testisovellus toteuttaa Tessendorfin aaltosimulaation OpenGL:n laskentashaderien kautta, hyödyntää kokeellista `geometria clipmap' -- rakennetta meren geometriaan ja sisältää meren valaistusmallin perustan. Toteutus toimii hyvänä lähtökohtana meren piirtämiselle merenkulun simulaattorissa.Description
Supervisor
Lehtinen, JaakkoThesis advisor
Suuronen, MattiKeywords
maritime simulator, real-time rendering, wave simulation, GPGPU, compute shader, OpenGL