三维海底地形仿真技术的研究与实现

论文摘要

三维海底地形数字地图在辅助导航时,其操作灵活、表达直观、逼真性强、包含的信息量非常大,在导航领域中具有广泛的应用。因此系统地建立大范围的真实三维海底地形模型,将具有重要的应用价值。本文主要研究了基于真实二维电子海图的水深数据建立三维海底地形模型并对其进行可视化仿真的过程,进而建立了三维虚拟海洋视景仿真单元,其主要研究的工作有：本文首先对海底地形的特征及其三维插值问题进行了较深入全面的研究,发现传统插值后的海底地表会显得过于平滑,而利用分形插值能较好地反映地表自相似统计特征。目前流行的基于分数布朗运动(fBm)的分形插值算法,虽然比传统插值有更好的重建效果,但由于其算法随机性等原因而不能完全满足地表插值的实际要求,因此本文重点研究了基于迭代函数系统(IFS)的确定分形插值。目前三维IFS分形插值算法仅限于应用在规则网格数据中的插值,本文提出了将IFS分形插值曲面算法应用于海底离散的水深高程数据插值过程。首先,对从二维电子海图中获得的稀疏水深数据先进行传统插值,得到海底地形初始的特征网格数据,再利用IFS分形插值曲面算法获得地形细节,这样既控制了整个海底地形的轮廓,又保证了地形表面的杂乱粗糙、凹凸不平的几何特征。实验结果表明：根据对海底水深数据进行IFS分形插值后,重建恢复出的DEM在实际效果中更能逼近真实的自然地表,说明该算法将具有较好的应用价值。本文利用Creator建模工具实现海底地形的自动建模过程,在Creator中使用Delaunay转换算法生成三维海底地形模型,并对其进行贴图技术、光照模拟、修改颜色等处理。最后,利用Vega软件进行海底环境渲染和可视化仿真,使系统能够以三维方式在基于真实海图的海底地形环境中实时显示潜艇的运动轨迹与姿态,并能够实现真实感海底地形环境的手动漫游和自动漫游效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景、目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 数字高程模型研究现状
• 1.2.2 分形插值研究现状
• 1.3 研究思路和关键问题
• 1.4 论文的章节安排
• 第2章 基于数字高程模型的分形插值理论
• 2.1 引言
• 2.2 从传统插值到分形插值过程的研究
• 2.2.1 传统插值
• 2.2.2 分形插值
• 2.3 基于fBm的分形插值研究
• 2.3.1 fBm的分形特征及其计算方法
• 2.3.2 fBm分形插值存在的问题
• 2.4 基于IFS的分形插值研究
• 2.4.1 IFS分形插值的数学基础
• 2.4.2 IFS分形插值公式
• 2.5 本章小结
• 第3章 分形插值生成数字高程模型
• 3.1 引言
• 3.2 基于fBm的分形插值算法及应用
• 3.3 基于IFS的分形插值算法及应用
• 3.3.1 二维IFS分形插值曲线
• 3.3.2 三维IFS分形插值曲面
• 3.4 海底数字高程模型的插值生成
• 3.4.1 数据源的获取
• 3.4.2 基于IFS的海底表面分形插值实现
• 3.5 本章小结
• 第4章 三维海底地形自动建模及渲染
• 4.1 引言
• 4.2 开发工具Creator和Vega介绍
• 4.2.1 Creator简介
• 4.2.2 Vega简介
• 4.3 海底地形自动建模
• 4.3.1 海底地形数据格式转化
• 4.3.2 海底地形模型生成
• 4.3.3 海底地形纹理贴图技术
• 4.4 在LynX中的海底地形渲染
• 4.4.1 三维视景仿真系统实现流程
• 4.4.2 三维海底地形渲染
• 4.5 本章小结
• 第5章 海底地形可视化技术的实际应用
• 5.1 引言
• 5.2 系统的应用程序实现
• 5.2.1 Vega应用程序的基本流程
• 5.2.2 基于MFC的Vega程序实现
• 5.3 三维海底漫游控制
• 5.3.1 鼠标键盘控制漫游
• 5.3.2 外部数据控制漫游
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢