Ocean surface generation and rendering

Abstract

Die realistische Darstellung von Wasseroberflächen ist seit jeher ein beliebtes Forschungsthema in der Computergraphik. Vor allem das Rendern des weiten Ozeans in Echtzeit stellt eine besondere Herausforderung dar. Die Gründe hierfür sind vielseitig. Unter anderem ist der Ozean ein riesiges Gewässer, welches wir auf sehr unterschiedliche Art und Weise abbilden möchten, von der detaillierten Nahaufnahme bis zum weitläufigen Panorama. Zusätzlich stellt der Ozean ein sehr komplexes, dynamisches System dar, das aus einer riesigen Anzahl Wellen unterschiedlicher Größe besteht, vom riesigen Tsunami bis zur millimeterkleinen Kapillarwelle. Wir präsentieren in dieser Arbeit Algorithmen um den weiten Ozean nicht nur in Echtzeit zu rendern, sondern auch alle dafür benötigten Daten in Echtzeit zu generieren. Unser Fokus liegt darauf, glaubhafte Ozeanoberflächen mittels Wellenspektren zu erzeugen, wobei letztere dem Forschungsbereich der Ozeanographie entspringen. Wir untersuchen unterschiedliche Wellenspektren sowohl auf ihre Eigenheiten, als auch auf ihre Eignung für die Darstellung mittels Echtzeitgraphik-Algorithmen. Zusätzlich erläutern wir die notwendigen Hintergründe um unterschiedlich Wellenspektren sinnvoll in eine gemeinsames Grundstruktur zu integrieren. Selbige ermöglicht es uns schlussendlich, unabhängig vom gewählten Wellenspektrum, nicht nur glaubhafte, sondern auch stimmige Ozeanoberflächen zu erzeugen.

The synthesis of a believable depiction of the ocean surface is a permanent topic of interest in computer graphics. It represents even more of a challenge for applications which require the real-time display of a water body as large as the ocean. That is because the ocean is a highly dynamic system which combines waves at all scales, ranging from millimetres to kilometres. Moreover, the ocean may be observed from several distances, ranging from close-ups to views which reach the horizon. Thus, we present a framework to generate and render the open ocean in real time, for arbitrary viewing distances and including waves at all scales. We focus our efforts on the geometry of the animated ocean surface, for which we leverage a set of wave spectrum models from oceanographic research. We discuss the intricacies of said models, as well as their fitness for real-time rendering. Moreover, we delineate in detail how to integrate distinct wave spectrum models into a coherent framework, from which one is able obtain believable, consistent and coherent results.