虚拟海洋环境生成及场景特效研究

论文摘要

海洋环境仿真在科学研究及工程应用领域具有重要的意义,如何开发真实感与实时性兼顾的虚拟海洋环境并使其为更多的仿真实体共享,加强其重用性与互操作性已成为人们研究的热点。本论文针对上述需求对在HLA中的虚拟海洋环境的开发及相关场景的特效生成进行了研究,为分布式仿真系统提供了一个具有良好的可重用性和互操作性的可视化平台。在分析波浪谱的理论基础上给出了基于Longuet-Higgins和基于FFT变换两种海浪建模方法,并对其进行仿真,分别在画面真实感和渲染速度方面进行了比较,仿真结果表明,采用FFT变换的建模方法能够具有较快的计算速度,且能很好的表现各种海况下的波浪形态。在FFT变换建模的基础上对海面进行了光照及纹理的处理。针对效果渲染计算量大,影响实时性的特点,采用了Cg技术对GPU进行编程,从而使一部分效果计算在GPU中进行,分担了CPU的负担,在改善画面真实感的同时保证了仿真系统的实时性。为了使海洋场景更加逼真完整,采用天空球模型代替传统的天空盒模型对海空环境进行了改善,同时运用粒子系统制作了航迹流效果,并模拟了雨、雪、雾、夜晚等各种天气环境。为了使虚拟场景具有更快的刷新率,在算法方面采取了利用FFT变换的特点、自适应网格技术、视点相关技术及使用链表处理粒子系统四个措施来减少计算量,从而提高了仿真的实时性。根据实际的仿真需求,将此海洋环境应用于某HLA分布式船舶运动仿真系统中,它有多个联邦相互交互,虚拟海洋环境作为联邦中的一员,能够接收其它联邦发送的海情、天气、船舶的运动等信息并实时进行三维显示,为仿真验证提供一个直观的展示平台。实现了虚拟海洋环境的共享和互操作性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 海洋仿真的研究现状及研究方法
• 1.2.1 海浪建模
• 1.2.2 海面光照效果的模拟
• 1.2.3 海浪与物体的交互作用的模拟及海面自然现象的仿真
• 1.3 HLA系统的发展及应用现状
• 1.4 论文的主要工作及研究内容
• 第2章 基于波浪谱的海浪建模与实现
• 2.1 引言
• 2.2 波浪的基本理论
• 2.2.1 波浪的基本概念
• 2.2.2 波浪的形成原因及分类
• 2.3 海浪谱理论
• 2.3.1 海浪的频谱分析
• 2.3.2 海浪的方向谱分析
• 2.4 基于海浪谱的建模及实现
• 2.4.1 Longuet-Higgins模型的建模及实现
• 2.4.2 基于FFT变换的海浪建模及实现
• 2.4.3 基于Longuet-Higgins模型和FFT变换法海浪建模的比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于Cg技术的海面效果渲染
• 3.1 引言
• 3.2 图形加速简介
• 3.2.1 可编程图形硬件简介
• 3.2.2 可编程图形的编程语言简介
• 3.2.3 开发工具Cg
• 3.3 基于Cg技术的光照模型
• 3.3.1 基本光照模型
• 3.3.2 海面光照模型
• 3.3.3 环境纹理映射
• 3.3.4 凹凸纹理映射
• 3.4 综合海面效果的实现
• 3.5 海空效果的改进
• 3.5.1 天空球模型及实现
• 3.5.2 雾化天空效果
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于粒子系统的海洋环境效果模拟及场景优化
• 4.1 引言
• 4.2 粒子系统概述
• 4.2.1 粒子系统组成及定义
• 4.2.2 粒子系统建模的关键技术
• 4.2.3 生成粒子系统的基本步骤
• 4.3 基于粒子系统的自然环境的模拟
• 4.3.1 雪的动态模拟
• 4.3.2 雨的动态模拟
• 4.3.3 夜空的模拟
• 4.4 基于粒子系统与图像合成技术的航迹流模拟
• 4.4.1 航迹流的粒子模型
• 4.4.2 图像合成实现航迹流效果
• 4.5 场景渲染的加速措施
• 4.5.1 利用FFT的算法特点
• 4.5.2 自适应网格技术
• 4.5.3 视点相关技术
• 4.5.4 链表技术
• 4.5.5 优化性能对比
• 4.6 本章小结
• 第5章 虚拟海洋环境在HLA船舶仿真系统中的应用研究
• 5.1 引言
• 5.2 HLA系统概述
• 5.2.1 HLA的规则
• 5.2.2 HLA的对像模板
• 5.2.3 HLA的接口规范
• 5.3 在HLA中的虚拟海洋环境的仿真研究
• 5.3.1 虚拟海洋环境仿真系统的需求分析
• 5.3.2 虚拟海洋环境仿真系统的模型框架
• 5.3.3 虚拟海洋仿真系统的联邦FOM/SOM设计
• 5.3.4 海洋环境联邦的开发步骤
• 5.3.5 虚拟海洋环境仿真系统的集成
• 5.3.6 虚拟海洋环境仿真应用效果图
• 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
• 致谢