航海模拟器视景中海浪的模拟.doc

航海模拟器视景中海浪的模拟 尹勇，任鸿翔，李永进 大连海事大学出版社 前 言 航海模拟器是一种典型的人在回路中的仿真系统，也是当今虚拟现实研究的重要领域。大连海事大学航海动态仿真与控制实验室金一丞教授所领导的科研团队从上世纪八十年代末开始自行研制航海模拟器，并取得了一系列研究成果。多本船功能完备的航海模拟系统及其开发平台”“多功能航行安全仿真系统”“高品质航海模拟器及其开发平台”等先后荣获国家科技进步二等奖、辽宁省科技进步一等奖和二等奖。2006年大连海事大学为新加坡海军研制的航海模拟器在新加坡通过了挪威船级社浪谱进行自适应离散化处理，并将处理后的数据应用于不规则波的仿真模型中，用网格模型和纹理映射技术实现了波浪的实时动态在分析了海面浪花形成条件的基础上，用粒子系统实现了海面浪花的实时动态仿真GPU绘制高真实感海浪的算法。首先采用同心圆网格模型构建海浪表面；采用基于GPU的FFT方法生成符合Phillips谱的海浪高度图，从而用网格构建出了海浪的几何形状；而后模拟了Choppy波，减轻了磁砖效应，实现了海浪与船舶的相对运动；最后分别模拟了海面的反射、折射以及浪花效果。 第6章介绍了一种模拟大规模近岸海浪的算法。该算法根据不同的海浪数学模型，给出了基于Boussinesq方程、基于椭圆型缓坡方程、基于抛物型缓坡方程、基于SWAN模型等四种海面运动建模方法；对大规模近岸海面的几何建模与实时绘制进行了介绍，并采用扇形海面的几何建模方法和基于GPU来模拟海面反射、折射、泡沫、眩光和浪花等光影效果。 本书第1章、第3章、第5章由任鸿翔撰写，第4章由尹勇撰写，第6章由李永进撰写，第2章由尹勇和任鸿翔共同撰写。在本书的撰写过程中，金一丞教授给与了悉心的指导。本书反映了作者的最新研究成果，对从事航海模拟器以及视景仿真的学者具有一定的借鉴意义。 在本书出版之际，衷心感谢大连海事大学领导对我们研究工作的支持。感谢金一丞教授对本书的悉心指导及宝贵意见。感谢张显库教授对本书的大力支持和帮助。感谢大连海事大学出版社编辑为策划、编辑和出版本书所付出的辛劳。 由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大专家读者批评、指正。 作者 2010年5月 大连 目 录 第1章 绪论 1 1.1 航海模拟器概述 1 1.2 航海模拟器的视景系统及DNV相关标准 2 1.3 航海模拟器及其视景系统的发展现状 3 1.3.1 国外发展现状 3 1.3.2 国内发展现状 5 1.4 航海模拟器中海浪的模拟 6 参考文献 9 第2章 波浪理论 13 2.1 海浪概述 13 2.2 波浪理论 15 2.2.1 微小振幅波 15 2.2.2 有限振幅波 19 2.2.3 波浪谱 21 参考文献 25 第3章 GPU技术与场景的组织管理 27 3.1 GPU技术 27 3.1.1 图形绘制流水线(Rendering Pipeline) 27 3.1.2 GPU的发展历程 29 3.1.3 GPU的主要技术 33 3.1.4 GPU编程 34 3.1.5 GPU在计算机图形学中的应用 36 3.1.5 GPU展望 38 3.2场景的组织 38 3.2.1 场景建模工具 39 3.2.2 OpenFlight数据格式 39 3.2.3 航海模拟器场景的高效组织 40 3.3 场景管理平台 44 3.3.1 场景管理平台 44 3.3.2 OpenGVS场景管理 45 3.3.3 OSG场景管理 46 参考文献 50 第4章 基于波浪谱的波浪模拟算法 53 4.1波浪实时生成模型 53 4.1.1波浪的数学模型 53 4.1.2 由波浪谱确定某一浪级的仿真参数 53 4.1.3 波浪的实时生成算法 61 4.2浪花的生成条件和浪花的动态仿真实现 69 4.2.1 浪花的生成条件分析 69 4.2.2 浪花的动态仿真实现 72 4.3船舶航迹流和兴波的实时仿真 75 4.3.1基于粒子系统和图象综合的船舶航迹流模型 76 4.3.2基于粒子系统和图象综合的船舶兴波实时动态仿真 80 4.3.3算法效率的考虑及实现 83 参考文献 85 第5章 基于GPU的海浪真实感绘制算法 86 5.1 海平面网格模型的建立 86 5.2 高度图的生成 89 5.2.1 傅立叶变换及FFT算法的GPU实现 90 5.2.2 高度图和法线图的生成 93 5.3 海面光照及特殊效果 101 5.3.1 反射效果 102 5.3.2 折射效果 104 5.3.3 浪花 106 5.4 算法流程与结果分析 10