基于海浪谱的实时海洋场景仿真

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虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究

第53卷第7期 2023年7月中国海洋大学学报P E R I O D I C A LO FO C E A N U N I V E R S I T YO FC H I N A53(7):111~117J u l y,2023虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究韩勇1,2,黄家琛1,马纯永1,2,杨杰1,2,陈戈1,2(1.中国海洋大学信息科学与工程学部,山东青岛266000;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东青岛266237)摘要: 本文利用虚拟现实和可视化技术,对虚拟海洋环境仿真中海浪仿真㊁海风仿真与风海流仿真等关键技术进行研究,并基于研究成果开发了交互式虚拟海洋仿真系统㊂结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,对东方红2号海洋调查船进行三维建模,并运用体素化分析方法模拟其在海面的运动情况,构建了虚拟海洋环境观测载体㊂系统根据涉海专业出海实践内容设计观测实验,还原了海风观测实验和C T D 观测实验,能有效缓解当前涉海高校实践教学资源的不足,提高海洋人才的培养质量㊂关键词: 虚拟海洋;海浪仿真;船舶仿真;观测实验;实践教学中图法分类号: P 714;T P 391.9 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)07-111-07D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20220075引用格式: 韩勇,黄家琛,马纯永,等.虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(7):111-117.H a nY o n g ,H u a n g J i a c h e n ,M aC h u n y o n g ,e t a l .R e s e a r c h o f k e y t e c h n o l o g i e s a n d i m pl e m e n t a t i o n o n v i r t u a lm a r i n e e n v i -r o n m e n t s i m u l a t i o n [J ].P e r i o d i c a l o fO c e a nU n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(7):111-117. ❋ 基金项目:国家重点研究发展计划项目(2020Y F B 1710400)资助S u p p o r t e d b y t h eN a t i o n a l K e y R e s e a r c h a n dD e v e l o p m e n t P r o gr a mo f C h i n a (2020Y F B 1710400)收稿日期:2022-02-09;修订日期:2022-03-10作者简介:韩勇(1969 ),男,教授㊂E -m a i l :y o n gh a n @o u c .e d u .c n 在海洋科学及技术类专业中,出海实践是专业学习的重要组成部分㊂出海实践的教学内容包含理论知识学习㊁仪器设备操作㊁海洋观测实验等内容,是培养涉海专业人才的必要环节㊂但由于教学船只紧张㊁设备费用昂贵及培训周期长等问题[1],许多涉海高校无法开展出海实践课程,难以满足涉海专业学生的培养需求㊂目前中国隶属于高等学校的海洋调查船大多需要承担繁重的科研任务,难以满足广大高校涉海专业学生的实践教学需求,难以保证涉海人才的培养质量㊂因此在船时不足的条件下,一些涉海高校积极寻找新的海洋实践教学方案㊂大连海洋大学为涉海专业建立了虚拟仿真实验教学中心,采用模拟设备与三维仿真相结合的方式实现了驾驶模拟㊁轮机工程模拟和船舶仿真等实训内容[2]㊂江苏海洋大学建立了占地面积3400m2的海洋工程技术研究中心,并配有多种常规海洋仪器和大型海洋仪器,使涉海专业学生能在学校内完成和实践教学相关的训练课程[3]㊂然而,采用搭建真实场景模拟海上实践环境的方式仍旧存在着场景搭建成本高昂㊁后期维护复杂等问题,而且以室内培训为主的教学方式很难还原真实的海洋实践教学环境,导致教学过程缺乏沉浸感,影响教学效果㊂虚拟海洋环境仿真以虚拟现实技术为核心,融合海洋相关学科知识内容,对一定范围内的海洋环境及其相关要素在视㊁听㊁触等方面进行还原㊂虚拟现实技术具有沉浸性㊁交互性㊁想象性的特点[4],能够逼真展现海洋场景中的海浪㊁海风及船舶等关键要素㊂当前对于虚拟海洋环境仿真的研究主要集中在宏观状态下的渲染模拟㊂王顺利等[5]提出一种自适应的深浅海网格模型对海浪进行模拟,郭晓非等[6]使用图标映射法和流线法将海洋环境要素可视化,R a m o s 等[7]提出一种G P U 多线程技术对海浪场景实现实时绘制㊂然而,宏观的虚拟海洋环境仿真普遍缺乏交互性,缺少个体视角对场景要素的观察互动,难以满足涉海高校海洋人才培养的需求㊂因此本文依托中国海洋大学丰富的海洋实践经验,对虚拟海洋环境仿真技术进行研究,在此基础上设计并实现了具有交互性的虚拟海洋仿真系统㊂1 海洋调查船建模及运动仿真海洋环境具有多维性㊁庞杂性的特点[8],为提高其仿真效率,需设置重点观测区域㊂本文将东方红2号海洋综合调查船作为虚拟海洋环境仿真中的主要观测Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年载体,实地采集其表面纹理和结构参数,并使用3d s M a x 软件对船体及其设备器材进行三维建模㊂构建船体及设备模型面片共74000余个,高度还原了东方红2号的船体外观及船上的起重机㊁救生艇㊁绞车等设备细节㊂船体建模效果如图1㊂图1 东方红2号三维模型F i g .1 3Dm o d e l s o f D o n g f a n g h o n g 2现实场景中船舶在海上运动时会受到周围海浪起伏的影响作用,导致船舶姿态发生改变[9]㊂本文采取一种基于浮力变化分析的船舶运动仿真方法,对在不断变化的海面环境中船舶的运动状态进行模拟㊂通过对主船体模型进行体素化,将随海浪高度变化的船体浮力通过分割出的体素矩体进行分析,从而实现对船体运动受力变化的仿真㊂体素化技术是一种将连续几何体分割为一组最接近连续对象体素的技术[10],常应用在各种复杂模型的处理中㊂本文对东方红2号主船体模型网格进行体素分割,以主船体中心为原点建立笛卡尔坐标系,生成最小坐标为(x m i n ,y m i n ,z m i n )㊁最大坐标为(x m a x ,y ma x ,z m a x )的矩体,然后分别沿x ㊁y ㊁z 轴将矩体分割成n 份,最终获得切割后的小型体素,体素的中心坐标(x i ,y j ,z k )如下:x i =x m i n +D x i +12æèçöø÷,i =0,1, ,n -1y j =y m i n +D y j +12æèçöø÷,j =0,1, ,n -1z k =z m i n +D z k +12æèçöø÷,k =0,1, ,n -1ìîíïïïïïïï㊂(1)式中:D x ㊁D y ㊁D z 分别为沿三个坐标轴的分割间隔,且D x =x m a x -x m i n ()/n ;D y =y m a x -y m i n ()/n ;D z =Z m a x -Z m i n ()/n ㊂但主船体模型不是规则的矩体,分割出的小型体素并未全部包含在船体模型网格范围内,因此在完成小型体素切割后,需对获得的体素集合进行筛选㊂本文使用射线检测法排除冗余体素,原理如下:从当前检测体素中心引出朝向主船体模型的射线,并检测碰撞点,若碰撞点为1,则保留当前体素;若碰撞点为0,则标记为冗余体素排除㊂重复以上步骤直到体素集合被遍历,完成筛选㊂完成体素筛选后,对船舶在海面所受的浮力进行分析㊂通过体素化分析,船舶所受的浮力F B 可以分解为所有体素受到的浮力F b i 的集合㊂通过比较体素中心点(x i ,y j ,z k )与同一水平位置(x i ,y j )的海面高度H 1的大小,体素所受浮力F b i可表示为:F b i =r i ρg V ㊂(2)式中:r 为当前体素的浮力系数;ρ为海水密度;V 为体素的体积㊂浮力系数r i 表示如下:r i =1,H 1-z k >L z 2H 1-z kL z2+12,H 1-z k ɤL z 20,z k -H 1>L z2ìîíïïïïïïïï ㊂(3)计算出每个体素的浮力后,通过力矩平衡可以计算出当前船舶的旋转力矩,从而实现对船舶在海面运动状态的模拟㊂系统使用R i g i d b o d y .A d d T o r q u e 函数控制船体首尾的摆动,其摆动幅度受船体所受合力矩大小的影响;使用R i g i d b o d y .A d d F o r c e 函数模拟船体的在垂直方向上的受力,其大小与方向受船体重力与浮力的影响㊂船舶的运动仿真效果如图2㊂图2 东方红2号在海浪中运动F i g .2 M o v e m e n t o f D o n g f a n g h o n g 2i n t h ew a v e s 2 海洋环境仿真技术研究2.1基于G e r s t n e r 波修正的F F T 海浪仿真海浪仿真是海洋环境仿真中的一个关键部分,是多种海洋要素仿真的基础,能极大地影响海洋环境仿真的真实感㊂常见的海浪仿真方法包括基于物理模型建模㊁几何模型建模和海浪波谱建模㊂物理模型模拟海浪计算复杂㊁耗时较长;几何模型仿真海浪真实感较差,难以充分还原真实海浪情况[11]㊂考虑到仿真效率和真实性要求,本文采用基于海浪波谱的仿真方法,使用G e r s t n e r 波模型对海浪进行仿真㊂具体实现步骤如下:211Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究(1)确定波数矢量k ң㊂在海浪仿真所需的空间网格平面x o y 上,沿x 轴和y 轴分别采样N 和M 个点㊂此时波数矢量k ң=(2πn /L x ,2πm /L y ),L x 和L y 分别代表网格平面沿坐标轴的长和宽,n ㊁m 为整数且-N /2ɤn <N /2,-M /2ɤm <M /2㊂(2)计算海面初始化高度场频谱H 0 (k ң)㊂H 0 (k ң)=1 2ε1+i ε2() φk ң()㊂(4)式中:ε1和ε2为均值方差相同(均值μ=0,方差σ2=1)㊁互相独立的高斯随机数;φk ң()为P h i l l i p s 谱,是常用于海面风浪模拟的波数谱[12],表达式为:φk ң()=A p k 4æèçöø÷k ң㊃r ң2e x p -1k 2l 2æèçöø÷㊂(5)式中:A p 为P h i l l i ps 谱常数;r ң表示风向;l 表示风速v 与海浪的关系且l =v 2/g ;g 为重力加速度㊂(3)用I F F T 算法反演空间域的海浪顶点高度H x ң,t ()㊂通过式(4)中求得的初始化高度场频谱H 0k (),计算傅里叶振幅值H k ң,t ():H k ң,t ()=H 0k ң()e x p i ωt ()+H *0(-k ң)e x p -i ωt ()㊂(6)式中:H *0是H 0k ()共轭复数;ω是角频率且ω= g k ,其中k 为波数矢量k ң的模㊂得到H k ң,t ()后,使用I F F T算法反演空间域中的海浪顶点高度㊂t 时刻海平面网格上某一点的瞬时波高H x ң,t ()表示为:H x ң,t ()=ð kH 0 (k ң,t )e x p (i k ң㊃x ң)㊂(7)式中:x ң=(x ,y )代表x o y 网格上点的坐标;x ㊁y 分别为采样点在X 轴和Y 轴的坐标数值,表示如下:x =n ㊃L x N ,-N 2ɤn <N 2y =m ㊃L y M ,-M 2ɤm <M 2ìîíïïïï ㊂(8)(4)使用G e r s t n e r 波模型对海浪顶点高度进行位移修正㊂G e r s t n e r 波模型是一种通过多个余弦波叠加而来的有限振幅波[13],适用于大范围海浪的仿真㊂相比使用正弦波海浪平稳的模拟效果,G e r s t n e r 波模拟的海浪波峰被压缩,波谷更宽,更接近真实的海浪波峰波谷情况㊂为实现对海浪受较强海风影响时浪尖受到挤压的效果模拟,根据G e r s t n e r 波模型理论,在t 时刻瞬时波高为H x ң,t ()的点坐标x ң=(x ,y )需要受到C h o p p y 波向量的位移修正,即点的真实位置坐标应当为(x ң+μD x ң,t (),H x ң,t ()),其中μ为偏移参数㊂偏移函数D (x ң,t )表示如下:D x ң,t ()=ð kk k ңH k ң,t ()e x p i k ң㊃x ң()㊂(9)(5)依据偏移修正过的海浪高度数据设置海浪网格平面,然后通过顶点着色器进行海面波纹渲染处理,实现海浪的仿真过程㊂海浪仿真效果如图3㊂图3 海浪仿真效果F i g.3 W a v e s i m u l a t i o n e f f e c t 2.2海风与风海流的粒子仿真2.2.1基于时变风速模型的海风仿真海风的仿真对海洋学的研究和系统有着至关重要的作用,是海洋观测的重要组成部分[14]㊂系统基于粒子渲染技术,结合矢量场原理模拟三维空间中的海风轨迹,对海风的运动轨迹进行仿真㊂根据风速的变化性质,时变风速模型包含基本风㊁阵风㊁渐变风和随机风四种成分[15]㊂基本风V B 表示在一段时间内的基础风速,其值为常数㊂随机风V N 表示风速的随机变化,系统采用R a n d o m.R a n ge 函数进行模拟㊂基本风与随机风的仿真可通过简单建模完成,因此本文着重介绍阵风与渐变风的仿真过程㊂阵风V G 表示风速的突变性质,用来模拟在短时间内风速的剧烈变化㊂阵风的数学模型为:V G =0,t <t g 或t >t g +T G v g m 1-c o s 2πt -t g ()T G æèçöø÷éëêêùûúú,t g ɤt ɤt g +T G {㊂(10)式中:t 代表当前时间;v g m 代表阵风的最大风速;t g 代表阵风开始时间;T G 代表阵风周期㊂渐变风V R 表示风速在一段时间内的平稳变化,渐变风的数学模型为:V R =0,t <t r 1v r m t -t r 1()/(t r 2-t r 1),t r 1ɤt ɤt r 2v r m ,t r 2<t ìîíïïïï㊂(11)式中:t 代表当前时间;v r m 代表渐变风的最大风速,t r 1代表渐变风的开始时间,t r 2代表渐变风的结束时间㊂本文基于时变风速模型,采用粒子系统P a r t i c l eS y s t e m 对海风进行仿真㊂系统通过S t a r tD e l a y 控制粒子的延迟发射,模拟海风的开始时间;通过S t a r tS pe e d 控制粒子的发射速度,模拟海风的实时风速;通过R o t a t e()函数控制粒子的发射方向,模拟海风的风311Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年向;通过在S h a d e r 中将M a ps 设置为白色箭头,以指示海风前进方向㊂海风仿真效果如图4㊂图4 海风仿真效果F i g.4 S e a b r e e z e s i m u l a t i o n e f f e c t 2.2.2基于粒子迹线绘制的表层风海流仿真风海流是指在风对海水的摩擦力与海面压力作用下,海水中形成的一种稳定海流[16]㊂根据‘海港水文规范“中对风海流的估算方法,近岸海区表层风海流的流速V u 可以近似为:V u =K V w ㊂(12)式中:V u 表示风海流的流速;V w 表示海面风速;K 代表流速系数,取K 的值为0.03㊂在浅海中,风海流的流向与风向的夹角较小,流向可近似为风的方向[17]㊂系统将2.1.1中的海风风速仿真结果作为输入,计算得出对应风海流的流速㊁流向与风向保持一致,并通过粒子系统进行仿真㊂粒子在场景的空间网格中按一定比例产生,并朝一定方向发射形成迹线,以模拟风海流的运动轨迹㊂在t 0时刻粒子方位表示如下:p t =p 0+ʏt 0vt()d t ㊂(13)式中:vt ()为粒子在t 时刻的运动速度;p 0为粒子发射时的初始位置;t 0代表粒子产生的时间㊂为描述风海流的运动轨迹,在粒子运动时保存其行动迹线,将粒子系统中的T r a i l s 模块的状态设置为激活,将贴图模式设置为拉伸状态S t r e t c h ,以实现粒子的拖尾效果,记录粒子的运动轨迹㊂在W i d t h O v e r T r a i l 中设置拖尾宽度随时间的变化趋势,实现对海流随时间的渐变效果模拟㊂在N o i s e 模块中设置噪声的频率与强度,以模拟实际情况下风海流的不规则运动㊂风海流仿真效果如图5所示㊂图5 风海流仿真效果F i g.5 W i n d c u r r e n t s i m u l a t i o ne f f e c t 3 交互式虚拟海洋仿真系统3.1虚拟海洋环境仿真系统架构本文基于海浪仿真和船舶运动仿真研究,结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,开发了虚拟海洋环境仿真系统㊂系统的结构可分为用户层㊁表现层㊁业务逻辑层和数据层(见图6)㊂用户层对应参与教学的用户角色,包含负责教学引导工作的教师和参与教学实验的学生;表现层包含系统各功能模块,主要有逻辑管理模块㊁用户界面模块㊁动画控制模块㊁用户交互模块㊁仿真实现模块和光学定位模块,通过组件式模块开发实现系统的低耦合度,提高系统的开发测试效率;业务逻辑层包含三维仿真逻辑和观测教学逻辑两大内容,其中三维仿真逻辑主要包含海洋环境仿真过程中的仿真算法逻辑实现,观测教学逻辑主要包括船体参观㊁海风观测和温盐深观测教学的逻辑实现;数据层对应数据存储和数据访问,包含模型数据㊁定位数据和仿真数据㊂图6 交互式虚拟海洋仿真系统结构F i g .6 S t r u c t u r e o f i n t e r a c t i v e v i r t u a lm a r i n e s i m u l a t i o n s ys t e m 3.2系统功能模块系统采用组件式架构,对特定模块的功能和数据进行封装㊂系统具体功能模块划分如下:(1)逻辑管理模块㊂逻辑管理模块主要功能是将各仿真模块按照一定的逻辑顺序组合后统一管理,并提供可与各模块通信的接口㊂逻辑管理模块中实现了系统启动运行及观测教学的逻辑设计,可设置系统的运行状态,编辑教学流程㊂在编辑界面中,可通过设置411Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究S t e p N u m 参数改变流程的步骤数量,拖动O b je c t 设置流程的步骤排序㊂在脚本中调用G e t C o m p o n e n t 函数可获取场景中对象的属性或组件,从而更改对象或组件的状态㊂通过逻辑管理模块,系统实现了教学流程构建,并设计完成了海风观测和C T D 观测的实验逻辑流程㊂(2)用户界面模块㊂用户界面(U s e r i n t e r f a c e ,U I )模块的主要功能是控制系统中U I 的状态开闭与位移旋转㊂系统使用U G U I 系统,制作了主界面登录U I 和场景中的交互U I㊂用户在登录界面登录后,可进入船舱的初始位置开始教学㊂在教学过程中,用户通过V R手柄与U I 上的按钮面板进行交互,即可触发对应的U I 事件,包括知识学习㊁教学考核㊁步骤推进等㊂通过用户界面模块,系统实现了文本㊁影音知识的教学,和教学内容的递进引导㊂(3)动画控制模块㊂动画控制模块的主要功能是控制系统中的动画播放状态㊂系统使用动画控制器A n i m a t o r C o n t r o l l e r 对动画片段C l i p s 进行管理㊂通过设置动画状态的控制参数及不同动画间转换条件,实现对不同C l i ps 的播放切换㊂系统通过动画控制器,实现了对海风观测实验中风向风速仪旋转动画,和C TD 观测实验中的C T D 下放(见图7(a ))收回㊁采水器的开闭等动画播放控制㊂(4)用户交互模块㊂用户交互模块的主要功能是设置场景中用户的手柄触发操作㊂通过V RC o n t r o l l e r 设置虚拟现实手柄的交互方式,用户在场景中可通过手柄进行近距离点按交互和远程射线交互㊂场景中可交互的物体通过标签T a g s 进行标记,当用户的手柄进入其触发范围内时,可激发物体的对应事件,如移动㊁变色㊁消失等㊂当手柄发出的射线接触到地面的传送标记(见图7(b ))时,松开扳机键可触发场景传送功能,实现用户在船舱㊁过道和甲板上的便捷传送㊂此外,通过N e t w o r k i n g 网络框架,系统可实现多终端用户间的协同交互,极大提高了系统的互动性和趣味性㊂图7 C T D 下放(a )及传送标志(b)F i g .7 P l a c i n g C T D (a )a n dm o v i n gi c o n (b ) (5)仿真实现模块㊂仿真实现模块主要负责系统中海洋环境仿真及船舶运动仿真中的运算及渲染功能㊂海浪仿真通过将计算所得网格高度值实时更新到对应的海面渲染器中,实现了对动态变化海浪的模拟㊂船舶运动仿真在物体的包围盒B o u n d s 中生成指定大小的正方体体素,通过射线检测保留在物体网格M e s h 内的体素,并实时分析每个体素与海面的位置关系,最终实现对海面船舶运动的模拟㊂海风仿真基于风速数学模型,将实时计算结果赋予粒子系统的E m i s s i o n 模块,实现对风速时变的海风模拟㊂风海流仿真在海风仿真的基础上,添加粒子拖尾迹线和随机误差,实现对海面表层风海流的模拟㊂(6)光学定位模块㊂光学定位模块主要负责场景中光学定位功能的实现㊂整个光学定位系统由12部F l e x 13摄像头组成,系统可在5mˑ6m 大空间内对多个目标的光学定位㊂视觉定位技术可以分为主动式视觉定位与被动式视觉定位[18]㊂系统采用的被动定位技术是由不同位置的相机拍摄同一场景,并通过对多幅图像中同一点的位置进行计算,来获得该点在空间内的三维坐标㊂本文定位系统使用多目立体视觉模型(见图8),其优势在于弥补了双目立体视觉定位易受环境干扰的缺陷,捕获的图像信息可以经过多次计算,可降低空间点的坐标估计误差㊂图8 多目立体视觉模型F i g.8 M u l t i -v i e ws t e r e o v i s i o n -b a s e dm o d e l 3.3基于虚拟海洋环境的观测实验3.3.1海风观测海风观测实验使用风向风速仪(见图9(a))作为测量工具,模拟了对东方红2号顶部甲板的风速风向测量㊂在海风速测量实验中,学员通过操作手中的V R 手柄进行风速测量学习㊂实验开始后,虚拟场景中的V R 手柄将会替换为风向风速仪模型,晃动风向风速仪即可开始对场景内的风速㊁风向进行测量㊂风向风速仪的中央屏幕会显示当前位置的实时风速,单位为m /s,同时风杯旋转指示风力大小㊂风向风速仪上方的风标旋转指示风向,单位为(ʎ)㊂如图9(b)所示,学员在场景中手握风向风速仪并保持高举1m i n ,记录风向风速仪显示的平均风速和观察到的最多风向,完成风向风速测量实验㊂511Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年((a )风向风速仪,(b )应用场景㊂(a )A e r o v a n e ;(b )A p pl i c a t i o n s c e n a r i o s .)图9 海风观测F i g.9 S e a b r e e z em e a s u r e m e n t 3.3.2虚实结合的C T D 观测实验温盐深是海洋物理学的重要参数,是海洋水文观测的基本要素[19]㊂温盐深测量仪(C o n d u c t i v i t y ,t e m p e r a t u r e ,d e p t h ,简称C T D )是海洋研究观测中的重要设备,能够精确获取水体的温盐深数据[20]㊂C T D 由水下单元㊁甲板单元和采水系统三部分组成,其主要功能是采集不同层位的海水㊂实验采用的S B E -911型C T D 采水系统,其搭载的各类高精度传感器可以采集海水的温度㊁盐度㊁压力㊁叶绿素㊁溶解氧等基础观测要素[21]㊂实验设计了C T D 观测实验,包含甲板单元介绍㊁采水单元安装㊁C T D 下放回收等内容㊂实验采用动作捕捉技术设计虚实结合的互动模式,在场景内配置了实体的C T D 采水系统,并放置多个光学M a r k 点进行标记㊂实验过程中深度相机捕获M a r k 点标志,并与M o t i v e 软件中的光学刚体端点进行匹配,将M a r k 点在现实坐标系中的坐标同步给空间坐标系中的光学刚体,然后将光学刚体坐标同步给仿真场景中对应三维模型,从而实现C T D 采水系统在现实场景与仿真场景中的状态同步㊂图10中,学员通过佩戴动作捕捉手套,可实现对现实场景和虚拟场景中C T D 采水设备的同步操作㊂虚实结合的互动方式能极大增强交互的真实感和交互性,从而提高观测实验的系统效果㊂图10 虚实结合交互F i g .10 C o m b i n a t i o n i n t e r a c t i o n o f v i r t u a l i z a t i o n a n d r e a l i t y4 结语本文将虚拟现实技术应用在海洋环境仿真中,通过船只建模及其运动仿真构建虚拟海洋环境观测载体,研究了以海浪仿真㊁海风仿真㊁海流仿真为核心的虚拟海洋环境仿真技术,并在此基础上设计实现了交互式虚拟海洋仿真系统,逼真还原了出海实践教学中海风观测和C T D 观测两大实验内容,扩展了海洋实践教学的形式,提高了海洋人才的培养质量㊂本文通过研究虚拟海洋环境仿真中的多项关键技术,实现了基于实践教学的海洋仿真交互式系统,对涉海高校实践教学的新型模式进行了探索㊂交互式虚拟海洋仿真系统在一定程度上弥补了当前高校海洋调查船难以满足人才培养需求的缺陷,避免了真实海洋实践过程中可能的安全隐患㊂虽然现阶段虚拟仿真系统无法完全取代真正的出海实践教学,但它可作为高校出海实践的有效补充,以提高教学资源的利用效率并缩短海洋人才的培训周期㊂随着海洋环境仿真技术与交互技术的进一步发展,虚拟海洋仿真技术将在高校海洋实践课程中获得更广泛的应用㊂参考文献:[1] 林昆勇.中国海洋科技创新发展的历程㊁经验及建议[J ].科技导报,2021,39(20):19-32.L i nKY .T h e c o u r s e o f i n n o v a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f C h i n a 'sm a r i n e s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y :Ar e v i e wo f e x p e r i e n c ea n dc o u n t e r m e a s u r e s [J ].S c i e n c e&T e c h n o l o g y R e v i e w ,2021,39(20):19-32.[2] 隋江华,李昕,张堂伟.海上专业虚拟仿真教学中心建设的实践探讨[J ].航海教育研究,2015,32(3):70-75.S u i JH ,L iX ,Z h a n g T W.P r a c t i c ea n dd i s c u s s i o no nt h ec o n -s t r u c t i o n o f v i r t u a l s i m u l a t i o n t e a c h i n g c e n t e r f o rm a r i n e s p e c i a l t y [J ].M a r i t i m eE d u c a t i o nR e s e a r c h ,2015,32(3):70-75.[3] 田慧娟,周立,汤均博,等.海洋实践教学观测平台的建设与应用探索[J ].实验技术与管理,2020,37(11):261-263.T i a nHJ ,Z h o uL ,T a n g JB ,e t a l .E x pl o r a t i o no nc o n s t r u c t i o n a n d a p pl i c a t i o n o f o b s e r v a t i o n p l a t f o r mf o rm a r i n e p r a c t i c a l t e a c h -i n g [J ].E x p e r i m e n t a lT e c h n o l o g y a n d M a n a ge m e n t ,2020,37(11):261-263.[4] D a n g x i a oW ,Y u a nG ,S h i y i L ,e t a l .H a p t i c d i s p l a yf o r v i r t u a l r e -a l i t y :P r og r e s sa n dch a l l e n g e s [J ].Vi r t u a lR e a l i t y &I n t e l l i ge n t H a r d w a r e ,2019,1(2):136-162.[5] 王顺利,康凤举,徐建华.通用化海浪仿真关键技术研究[J ].系统仿真学报,2017,29(2):381-386.W a n g SL .K a n g FJ,X u JH.R e s e a r c ho n g e n e r a l o c e a n s i m u l a -t i o n t e c h n o l o g y [J ].J o u r n a l o f S y s t e mS i m u l a t i o n ,2017,29(2):381-386.[6] 郭晓非,朱俊利,万剑华,等.基于C e s i u m 的海洋环境要素三维可视化研究[J ].海洋科学,2021,45(5):130-136.G u oXF ,Z h u J L ,W a n JH ,e t a l .3Dv i s u a l i z a t i o n o fm a r i n e e n -v i r o n m e n t a l e l e m e n t s b a s e d o nC e s i u m [J ].M a r i n e S c i e n c e s ,2021,45(5):130-136.[7] P u i g -C e n t e l l e sA ,R a m o sF ,R i p o l l e sO ,e ta l .V i e w -d e pe n d e n t t e s s e l l a t i o na n ds i m u l a t i o no fo c e a ns u rf a c e s [J ].T h eS c i e n t i f i c W o r l d J o u r n a l ,2014(2014):1-12.[8] 薄文波.海洋环境仿真系统的若干问题分析[J ].电子世界,2018(23):43-44.B oW B .A n a l y s i so f p r o b l e m s i n m a r i n ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n 611Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究s y s t e m[J].E l e c t r o n i c sW o r l d,2018(23):43-44.[9]黄松兴,焦甲龙,陈超核.方形波浪中船舶运动特性及安全航行策略[J].浙江大学学报(工学版),2021,55(8):1473-1481.H u a n g SX,J i a o JL,C h e nC H.S h i p m o t i o nr e s p o n s e s i nc r o s sw a v e a n d r e l a t e d s a f en a v i g a t i o ns t r a t e g y[J].J o u r n a l o fZ h e j i a n g U n i v e r s i t y(E n g i n e e r i n g S c i e n c e),2021,55(8):1473-1481. [10] K a u f m a nA,C o h e nD,Y a g e l R.V o l u m e g r a p h i c s[J].C o m p u t e r,1993,26(7):51-64.[11]张文桥.动态海浪建模与仿真的关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2017.Z h a n g W Q.R e s e a r c ho nK e y T e c h n i q u e so fD y n a m i cO c e a n W a v e M o d e l i n g[D].H a r b i n:H a r b i nE n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2017. [12]B a d u l i nS I,Z a k h a r o vVE.T h e P h i l l i p s s p e c t r u ma n d am o d e l o fw i n d-w a v e d i s s i p a t i o n[J].T h e o r e t i c a l a n dM a t h e m a t i c a l P h y s i c s, 2020,202(3):309-318.[13] N o u g u i e r F,G uér i nCA,C h a p r o nB. C h o p p y w a v e m o d e l f o rn o n l i n e a r g r a v i t y w a v e s[J].J o u r n a lo fG e o p h y s i c a lR e s e a r c h: O c e a n s,2009,114(C9):1-16.[14]王国峰,赵永生,范云生.风速风向测量误差补偿算法的研究[J].仪器仪表学报,2013,34(4):786-790.W a n g GF,Z h a oYS,F a nYS.R e s e a r c ho n e r r o r c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mf o rw i n d s p e e da n dd i r e c t i o nm e a s u r e m e n t[J].C h i n e s eJ o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u m e n t,2013,34(4):786-790. [15]张真源,刘国荣,杨小亮,等.基于R B F神经网络的参数自适应P I D变桨控制器的设计[J].电力系统及其自动化学报,2020,32(5):16-23.Z h a n g ZY,L i uGL,Y a n g XL,e t a l.D e s i g n o f R B F n e u r a l n e t-w o r k b a s e d p a r a m e t e r a d a p t i v e P I D p i t c h c o n t r o l l e r[J].P r o c e e d-i n g s o f t h eC S U-E P S A,2020,32(5):16-23.[16]陈邦杆,洪广鹏,胡宗敏.码头设计流速探析[J].水运工程,2016(2):76-80.C h e nBG,H o n g G P,H uZ M.O nd e s i g n e df l o wv e l o c i t y o fw h a r f[J].P o r t&W a t e r w a y E n g i n e e r i n g,2016(2):76-80.[17]韩庆楠.基于电子海图系统的海流对船舶航迹影响的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.H a nQ N.R e s e a r c h o f t h e I n f l u e n c e o f t h eO c e a nC u r r e n t o n t h eS h i p T r a c kB a s e do nE C D I S[D].H a r b i n:H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y,2008.[18] D e n g FP,H o n g G,Z h a n g S,e t a l.R e s e a r c h o nM o t i o nS e n s i n gI n t e r a c t i o nT e c h n o l o g y B a s e do nH T CV i v e[C].X i'a n:I n t e r n a-t i o n a l C o n f e r e n c e o nM a c h i n e r y,M a t e r i a l s a n d I n f o r m a t i o nT e c h-n o l o g y A p p l i c a t i o n s,2017.[19]张龙,叶松,周树道,等.海水温盐深剖面测量技术综述[J].海洋通报,2017,36(5):481-489.Z h a n g L,Y e S,Z h o uSD,e t a l.R e v i e wo fm e a s u r e m e n t t e c h-n i q u e s f o r t e m p e r a t u r e,s a l i n i t y a n d d e p t h p r o f i l e o f s e aw a t e r[J].M a r i n e S c i e n c e B u l l e t i n,2017,36(5):481-489.[20] H a n b a iF,A nP,M i a o m i a oQ.R e s e a r c ho nE x p e n d a b l eS e a w a t e rC o n d u c t i v i t y M e a s u r e m e n t S y s t e m[C].D a l i a n:20102n d I n t e r n a t i o n-a l C o n f e r e n c e o nS i g n a l P r o c e s s i n g S y s t e m s.I E E E,2010(1):115-118.[21]柴永平,占祥生.M V P在综合调测中对多波束声速改正的应用[J].海洋技术学报,2019,38(6):30-34.C h a i Y P,Z h a n X S.A p p l i c a t i o no f t h e M V Pf o r m u l t i-b e a ms o u n d v e l o c i t y c o r r e c t i o n[J].J o u r n a l o f O c e a nT e c h n o l o g y,2019, 38(6):30-34.R e s e a r c h o nK e y T e c h n o l o g i e s a n d I m p l e m e n t a t i o n o nV i r t u a l M a r i n eE n v i r o n m e n t S i m u l a t i o nH a nY o n g1,2,H u a n g J i a c h e n1,M aC h u n y o n g1,2,Y a n g J i e1,2,C h e nG e1,2(1.F a c u l t y o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266000,C h i n a;2.T h e L a b o r a t o r yf o rR eg i o n a l O c e a n o g r a ph y a n dN u m e ri c a lM o d e l i n g,P i l o tN a t i o n a l L a b o r a t o r y f o rM a r i n e S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y(Q i n g d-a o),Q i n g d a o266237,C h i n a)A b s t r a c t: V i r t u a lm a r i n ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n i so f g r e a t s i g n i f i c a n c e t ou n d e r s t a n da n dr e s e a r c h o c e a n.T h e p a p e r u t i l i z e d v i r t u a l r e a l i t y a n d v i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y t o r e s e a r c h t h e s i m u l a t i o n o f w a v e, s e a b r e e z e,w i n d c u r r e n t a n d s o m e o t h e r k e y t e c h n o l o g i e s i n v i r t u a lm a r i n e e n v i r o n m e n t,a n d d e v e l o p e d a n i n t e r a c t i v e v i r t u a l o c e a n s i m u l a t i o n s y s t e mb a s e do n t h e r e s e a r c h r e s u l t s.C o m b i n e dw i t h t h e a b u n-d a n tm a r i n e p r a c t i c a l t e a c h i n g e x p e r i e n c e o f O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,t h e D o n g f a n g h o n g2m a r i n e s u r-v e y v e s s e l w a sm o d e l e d i n t h r e e d i m e n s i o n s,a n d i t sm o v e m e n t o n t h e s e aw a s s i m u l a t e d b y v o x e l a n a l y-s i sm e t h o d.I n t h i sw a y,a v i r t u a lm a r i n e e n v i r o n m e n t o b s e r v a t i o n c a r r i e rw a s c o n s t r u c t e d.T h e s y s t e m d e s i g n e d o b s e r v a t i o n e x p e r i m e n t s b a s e d o n p r a c t i c e t e a c h i n g o fm a r i n e r e l a t e d s p e c i a l t y,r e s t o r i n g t h e s e a b r e e z em e a s u r e m e n t a n d C T Dm e a s u r e m e n t.I n t h i s w a y,i t c a n e f f e c t i v e l y a l l e v i a t e t h e s h o r t a g e o f t e a c h i n g r e-s o u r c e s i n r e l a t e d u n i v e r s i t i e s,a n d s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e t r a i n i n g q u a l i t y o fm a r i n e t a l e n t s.K e y w o r d s: v i r t u a l o c e a n;s e aw a v es i m u l a t i o n;s h i p s i m u l a t i o n;o b s e r v a t i o ne x p e r i m e n t;p r a c t i c a l t e a c h i n g责任编辑庞旻711Copyright©博看网. 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虚拟海浪实时仿真技术研究的开题报告

虚拟海浪实时仿真技术研究的开题报告一、选题背景与意义虚拟海浪实时仿真技术的出现，使得计算机图形学领域得到了巨大的发展。

如今，虚拟仿真技术应用广泛，在游戏设计、电影制作、空间设计、建筑设计、教育培训等领域中均得到了广泛的应用。

虚拟海浪实时仿真技术是指通过计算机技术，实现真实海浪的视觉效果，并实现仿真物体在海浪中的运动。

随着科技的进步，虚拟海浪实时仿真技术也在不断进行着技术迭代和优化，从而实现更加真实、逼真的视觉效果。

虚拟海浪实时仿真技术的不断优化，为计算机图形学的发展和应用提供了更强有力的支撑。

二、研究内容虚拟海浪实时仿真技术的研究，主要包括以下几个方面：1、海浪的数学模型：虚拟海浪的实时计算需要一种高效的数学模型来描述，如何建立合适的数学模型，是虚拟海浪实时仿真技术的重要研究内容。

2、海浪纹理的生成：海浪的仿真需要生成合适的海浪纹理，如何生成逼真的海浪纹理是虚拟海浪实时仿真技术的另一个关键点。

3、海浪实时仿真算法：如何对虚拟海浪进行实时仿真处理，是虚拟海浪实时仿真技术中最重要的研究内容，需要寻求一种高效、准确的算法来实现。

4、仿真物体在海浪中的运动：虚拟海浪实时仿真技术不仅需要实现真实的海浪效果，还需要将仿真物体在海浪中的运动效果做到逼真。

三、研究目标与意义本研究的目标在于通过针对虚拟海浪实时仿真技术的研究和探索，提出一种高效、准确的虚拟海浪实时仿真算法，并实现更加真实、逼真的海浪视觉效果和仿真物体在海浪中的运动效果。

本研究的目标在于提升虚拟海浪实时仿真技术的水平，为计算机图形学的发展和应用提供更加广阔的发展空间。

四、研究方法与步骤本研究的方法主要包括文献综述法、模型建立法、算法设计法和实验研究法等。

具体步骤如下：1、文献综述法：了解虚拟海浪实时仿真技术的国内外研究现状和未来趋势，认识到虚拟海浪实时仿真技术研究的重要性和紧迫性。

2、模型建立法：基于已有的数学理论和方法，构建虚拟海浪实时仿真技术的数学模型，并对模型进行优化和调整以满足实际需求。

基于频谱的海浪实时模拟

基于频谱的海浪实时模拟
金文标;蒲鹏飞
【期刊名称】《重庆邮电大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2009(021)003
【摘要】基于海浪谱皮尔逊一莫斯科维奇谱(P-M谱),提出了一种新的海浪实时模拟方法,该方法考虑了海水深度对波形的影响,并通过纹理映射、材质设置、光照、色彩融合等渲染技术实现了海浪造型及动态显示.实验表明该方法在波浪模拟的简易性、实时性与真实感方面均取得不错的效果,适合各种深度的海洋波浪模拟.【总页数】5页(P435-439)
【作者】金文标;蒲鹏飞
【作者单位】重庆邮电大学计算机科学与技术学院,重庆400065;杭州电子科技大学理学院.杭州310018;重庆邮电大学计算机科学与技术学院,重庆400065
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.41
【相关文献】
1.基于频谱的湍流函数海浪仿真 [J], 高伟;陈涛;杜亚琦
2.虚拟战场环境中海浪实时模拟方法的研究 [J], 姚海;鲍劲松;金烨
3.三维随机海浪实时模拟方法研究 [J], 王宝龙;康凤举;方琦峰;黄永华
4.长峰波海浪的数值模拟仿真与频谱估计 [J], 许景波;边信黔;付明玉
5.X-波段雷达近海海浪频谱反演的神经网络模型 [J], 王静;唐军武;何宜军;王鑫;潘玉方
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虚拟海洋场景的实时模拟研究与实现

ｔｎｓｓｅａｅｎＰｒｎｎｉｕｅｐｓｉｎａｄｗｖａｔｌｓｉｐｅｅｔｄｉｔ，ｅｌｏｓｎｒｊｃｅｒｃ — ｉｙｔｍｉｂｓｄｏｅｌｏｅｓｐｒｏｉｏｎａｅｐｒｃｒｓｎｅ．ＦｒｌＰｒｎｎｉａｄｐｏｔｄｇｉｔｈｏｓｉｓｔｉｅｓｓｙｉｅｅｄｅ
ＷＡＮＧＲｕｉ，ＧＵｎｓｎ，ＷＥＩＳｕｉＹｏｇ— ｈａ，ＣＨＥＮＧＨｏｎｇ
（ｙＬａｏａｏｙｏｎｅｌｅｔＣｍｐｔｎｎｉｎｌｏｅｓｎｆＭｉｉｔｙｏｕａｉｎ，Ａｎｕｉｅｓｔ，ＫｅｂｒｔｒｆＩｔｌｇｎｏｉｕｉｇａｄＳｇａＰｒｃｓｉｇｏｎｓｒｆＥｄｃｔｏｈｉＵｎｖｒｉｙＨｅｅ２０３，Ｃｈｎ）ｆｉ３０９ｉａＡｂｔａｔＴｏｉｃｅｓｈｅｌｔｎｕｈｎｉｉｙｏｉｕｌｃｎｙｔｍ，ａｍｅｈｄｆｒｔｅｒａ－ｉｅｍｏｅｉｇｏｃａｎｉａｓｒｃ：ｎｒａｅｔｅｒａ－ｉａｄａｔｅｔｔｆｒａｅｅｓｓｅｍｅｃｖｔｓｔｏｏｈｅｌｔｄｌｆｏｅｎａｍ — ｍｎ
ｆｓａｄｓｌａｐｏｃｆｒｄｔｈｐｃｌａｅｅｆｔｄｅｔｂｅｔｔｎｉｌ，ｉｅｔｂｉｌｍｉａｉｎｍｄｌｙａｔｎｉｅｐｒａｈｉｏｆｅｔｅｓｅｉｖｆｃｓｕＯｏｊｃｍｏｉ．Ｆｎｌｔｓａｌｈｉｕｎｔｏｅｂｍｐｓｅｏａｗｅｏａｙｓｌｏ

基于虚拟现实的海浪运动视景仿真系统的开题报告

基于虚拟现实的海浪运动视景仿真系统的开题报告一、选题依据和研究意义国内外的旅游业在不断地发展壮大，海洋旅游作为其中的一个重要组成部分，逐渐受到人们的关注和喜爱。

然而，由于众所周知的原因，海洋旅游的安全性始终是关注的重点。

在安全保障方面，海浪的情况占据着非常重要的位置。

为了提高海洋旅游的安全性和旅游质量，需要建立一套科学的海浪运动视景仿真系统来进行浪况预测。

同时，虚拟现实技术在不断发展，已广泛应用于游戏、电影、建筑设计等领域。

虚拟现实技术的应用，也使得海浪运动视景仿真系统的实现成为可能。

通过虚拟现实技术实现海浪运动视景仿真系统，可以创造出更真实的海浪场景，提高仿真精度和真实感，进而为海洋旅游提供更好的服务、更加安全的保障。

二、研究内容和技术路线本研究的主要研究内容是基于虚拟现实技术实现海浪运动视景仿真系统。

具体来讲，研究内容包括以下几个方面：1. 海浪模拟：根据海洋学原理，建立数学模型，对海浪进行仿真模拟。

2. 虚拟场景设计：采用虚拟现实技术构建海洋场景，包括海浪、海面、天空、天气等场景元素。

3. 用户交互：利用虚拟现实技术进行用户交互设计，用户可以通过VR头盔或手柄等设备进行操作和体验。

4. 系统实现：将海浪模拟和虚拟现实场景设计、用户交互等技术整合起来，实现海浪运动视景仿真系统。

技术路线主要包括以下几个步骤：1. 进行海浪仿真，建立完整的数学模型。

2. 虚拟场景设计，包括海面、天空、设备、光照等元素的设计。

3. 进行用户交互设计，包括图形界面、体验感等方面。

4. 将海浪模拟、虚拟场景设计和用户交互等技术整合，完成海浪运动视景仿真系统的实现。

三、研究内容的预期结果和创新点本研究预期结果包括：1. 建立一套完整的海浪数学模型，可以较为真实地模拟海浪运动。

2. 在虚拟现实技术的支持下，创造更真实、更具体的海洋场景。

3. 利用虚拟现实技术，实现用户与场景之间的交互，提高用户体验。

4. 最终，完成海浪运动视景仿真系统的实现，其技术水平和实现效果将具有较高的科研价值和实用价值。

基于OpenGL的海面场景模拟

协议·算法及仿真
2013 年第 26 卷第 3 期 Electronic Sci. ＆ Tech. / Mar. 15 ，2013
基于 OpenGL 的海面场景模拟
梁梦洁，石
摘要
万，薛万军
（ 1. 西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071 ； 2. 二滩水力发电厂电力运行部，四川攀枝花 617000 ）研究海面场景的三维模拟技术。针对军事试验中对海面场景的需要，从分析海浪的物理模型出发，分析和研究基于海浪谱的海面建模方法，选取 Pierson － Moskowitz 海浪谱，利用具有平台独立性的 OpenGL 图形库对海面场景进行模拟，快速实时有效地的模拟了，不同风速下的海面场景。关键词三维模拟; 海浪谱; OpenGL TP391. 9 文献标识码 A 文章编号 1007 － 7820 （ 2013 ） 03 － 128 － 03 中图分类号
+ ysinθj］ + εij ）（ 1）
a ij 、 wi 、 ki 、式中， θj 、 ε ij 分别表示第 i 个频率、第 j 个方向圆频率、波数、方向角和初始相位；的组成波的振幅、（ x， z）为波点位置； t 为时间矢量。其中 x， z 通常可取而 ε n 为在 0 ～ 2 π 范围内均匀分布的随机数。为，式（ 1 ）中 a ij 可由海浪谱反演理论得到 a ij = 槡 2 S（ w i ， θ j ） ΔθΔw 其中 S（ w i ， θ j ） = S（ w i ） G（ w i ， θj ）（ 3） S （ w i ）为频谱， G （ wi ，式（ 3 ）中， θ j ）为方向函数。在模拟海浪时采用具有单一参数的 Pierson － Moskowitz 模型，简称 PM 谱

基于海浪谱的海浪数值模拟及其仿真验证

们对海浪随机过程的认识不断深人及计算机模拟技术的飞速发展，用计算机进行软模拟已越来利越多地成为科研人员研究海浪及海浪对船舶及相
测资料符合程度优于ＪＮＳＯＷＡＰ谱，不仅能适用
于深浅水，而且能适用于风浪发展的不同时期，其公式为：
．
向分布的物理量，它在海浪的理论研究和实际应
用中均不失为一种有效手段，因而已成为目前海
（＿巧 ≤≤ １１１｝０， ’ ）１
ｓ（００２．８４（．２．４Ｐ＋００２２１５ —０２５２．９Ｐ）０厂＞１０．５
３子波来合成海浪，０个用频谱方式表示如下：
维普资讯
第５期
蔡
烽等
基于海浪谱的海浪数值模拟及其仿真验证
４１根据海浪时历计算海浪谱［．３］
．
２．３
（）＿／Ｓ） ∞ （＋ｒ＋ｅｔ＝５２（ｓ２￣ｏｆｔ）
（）２
浪研究的中心问题。笔者对ＩＴ单参数谱、ＴＣＩＴＣ双参数谱、Ｔ波一莫谱、洋局谱、海谱［海南、ＪＮＳＯＷＡＰ谱、氏谱等国内外常见谱进行了模文拟仿真研究，于篇幅只以ＪＨＮＳＰ谱和文限ＯＷＡ氏谱为例加以介绍。１１ＪＮＳＰ谱【．ＯＷＡ２］ＪＯＮＳＰ谱是海洋工程中运用最广泛的海ＷＡ浪谱之一，平均波能谱公式为：其ｓ）：０６８（－５．

基于海浪谱的风暴潮海浪数值仿真与功率谱估计

基于海浪谱的风暴潮海浪数值仿真与功率谱估计陈小健;吴庆;张道明【摘要】Based on the mathematic model of random wave, the corresponding significant wave height and average period are chosen as characteristic parameters of the modified JONSWAP spectrum when the tidal level of storm surge reached highest. Numerical simulation of storm surge wave is realized by using spectrum analysis method and MATLAB programming. The simulated extreme tidal level of storm surge is consistent with the experimental data of reference. Finally, according tothe basic principle of Welch algorithm, pwelch function in MATLAB is used to estimate the power spectrum of the wave simulation results.It is proved that the effect of simulation experiment is good.%基于随机海浪的数学模型，采用改进的JONSWAP谱，以最高风暴潮位对应的有效波高和平均周期作为海浪谱的特征参数；利用谱分析法，通过MATLAB编程实现了风暴潮浪的数值仿真，模拟得到的风暴潮极值潮位与文献所给的试验数据较为吻合。

基于GPU的海浪特效实时渲染

基于GPU的海浪特效实时渲染
文治中;刘直芳;梁威
【期刊名称】《计算机工程与设计》
【年(卷),期】2010(031)020
【摘要】对于海浪特效的模拟能有效增强海洋场景仿真的真实感,模拟的实时性也是海洋场景仿真系统的重要需求之一.为了实现基于GPU的海浪特效实时渲染,以PM海浪谱为基础进行了研究,从而生成海浪高度场,并结合视相关反投影方法生成海浪网格,采用硬件着色器进行基于物理光照模型的实时光照处理,生成了具有较强真实感的海面效果,较好地满足了时渲染场景实时性和真实感的要求,达到了实时视景仿真系统中对海洋模块的实时仿真要求.
【总页数】4页(P4426-4429)
【作者】文治中;刘直芳;梁威
【作者单位】四川大学,计算机学院,四川,成都,610065;四川大学,计算机学院,四川,成都,610065;四川大学,视觉合成图形图像技术国防重点学科实验室,四川,成
都,610065;四川大学,计算机学院,四川,成都,610065
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于BRDF和GPU并行计算的全局光照实时渲染 [J], 王芳;秦磊华
2.基于BRDF和GPU并行计算的全局光照实时渲染 [J], 王芳;秦磊华;
3.基于CPU/GPU异构并行计算优化的3D实时渲染 [J], 张大勇;陈绍瑜
4.基于GPU加速的水彩风格实时渲染绘制算法 [J], 赵杨
5.基于GPU加速的梵高流线风格油画实时渲染绘制算法 [J], 赵杨
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基于投影网格上的Phillips谱真实感海浪仿真模拟

基于投影网格上的Phillips谱真实感海浪仿真模拟顾大权;邱滨;侯太平;汪晋【摘要】The modern graphics hardware to effectively render large scale realistic ocean waves,it is a problem to use. To aim this, an ocean wave model using Phillips spectrum based on projected grid was constructed. A real-time height floating point texture was made from the height date of the waves by graphic processing unit(GPU), and the normal map was got by calculating the grads of each pixel in the height map. Finally, an OpenGL Shading Language( GLSL) light arithmetic was proposed, and the dynamic surface lighting effects were achieved. Mean-while the rendering of the realistic sea under different meteorological elements like different wind direction and wind speed, visibility, sun angle and so on was approached through the program parameters adjusting. Simulation result shows that the model and rendering method can obtain access to a realistic scenes.%针对如何有效利用现代图形硬件渲染大规模真实感海浪场景的难题，构建了一种基于投影网格上的P hillips谱海浪模型，利用GP U得到的海面浪高渲染为实时高度浮点纹理图，对每个像素进行求梯度得到海水法向纹理图。

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种方法是用谱（Ｓｐｅｃｔｕｍ）ｒ，是从波动的内部结构进行描
１引言
海浪、瀑布、雨、雪、烟、火焰等自然景物的仿真一直是计
算机图形学中最具挑战性的研究方向之一，它们的仿真在影
述Ｊ。现代波浪理论中重要概念之一就是将海浪理解为由
第３Ｏ卷第６期
文章编号：１００６— ９３４８（２０１３）０６—０４０９— ０５
计
算
机
仿
真
２０１３年６月
基于海浪谱的实时海洋场景仿真
徐利明，王瑞臣，马暄
（海军潜艇学院，山东青岛２６６０４２）摘要：研究海洋场景中海浪等视景的实现，是计算机在图形学中的具体应用。风浪是海洋表面最主要的一种波浪，从海洋学已有的统计观测结果出发，利用海浪频谱与方向谱的相关公式，对开阔海面深水域由风引起的海浪进行定量分析。利用粒
子系统对雨、雪、云等自然现象进行仿真，实现了对海洋场景的实时显示。在ＶＣ平台上用ＯｐｅｎＧＬ开放图形库实现了所述海洋场景的仿真。实践证明，提出的方法在实时性与真实感方面均取得了不错的效果。关键词：海浪谱；方向谱；粒子系统；海洋场景；实时中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ｂ
无限多的振幅不等、频率不等、方向不同、相位杂乱的正弦波
或余弦波叠加的结果，海浪具有的能量就是由各个组成波提
视、广告、视景仿真等领域得到了广泛应用。自然景物是动态的、随机的、难于用传统的几何模型加以描述，计算机软硬件技术的快速发展为科技工作者们搭建了采用新建模技术的平台，在前人研究的基础上成功仿真了许多自然景物，使自然景物的计算机仿真向前迈出了很大的步伐。
ＶＣａｎｄＯｐｅｎＧＬ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄａｃｑｕｉｒｅｓｓａｔｉｓｆｉｅｄｅｆｆｅｃｔｓｉｎｒｅｌ —ｔａｉｍｅａｎｄｔｈｉｒｄｄｉｍｅｎｓｉｏｎ．ＫＥＹＷＯｌｕ）ｓ：Ｏｃｅｎａｗａｖｅ；Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｌａｓｐｅｃｔｕｍ；ｒＰａｒｔｉｃｌｅｓｙｓｔｅｍ；Ｏｃｅａｎｓｃｅｎｅ；Ｒｅｌ —ｔａｉｍｅ
ｕｓｉｎｇ￣ｅｑｕｅｎｃｙｓｐｅｃｔｒｕｍｓｎｄａｄｉｒｅｃｔｉｏｎｌａｓｐｅｃｔｕｍｓｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｔａｔｉｓｔｉｃｓａｎｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｏｆｏｃｅａｎｏｒａｇ — ｐｈｙｗｈｉｃｈｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎａｄｅｅｐａｎｄｆｕｌｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄｓｅａ．Ｒａｉｎ，ｓｎｏｗａｎｄｃｌｏｕｄＣｎａｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｐａｒｔｉｃｌｅｓｙｓ — ｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｆｕｌｆｏｒｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｃｅａｎｓｃｅｎｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｃｅａｎｓｃｅｎｅｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄｏｎｔｈｅｐｌａｔ — — ｔｉｍｅＯｃｅａｎＳｃｅｎｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＯｃｅａｎＷａｖｅＳｐｅｃｔｒｕｍ
ＸＵＬｉ—ｍｉｎｇ，ＷＡＮＧＲｕｉ—ｃｈｅｎ．ＭＡＸｕａｎ
（ＮａｖｙＳｕｂｍａｉｒｎｅＡｃａｄｅｍｙ，ＱｉｎｇｄａｏＳｈａｎｄｏｎｇ２６６０４２，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｏｃｅａｎｗａｖｅｉｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｇｒａｐｈｉｃｓｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｃｅａｎｓｃｅｎｅ．
Ｗｉｎｄ—ｄｉｒｖｅｎｗａｖｅｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｏｃｅａｎｓｕｒｆａｃｅ．Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｎａａｌｙｓｉｓｏｆｏｃｅａｎｗａｖｅｗａｓｇｉｖｅｎｂｙ