海洋水声场三维可视化技术研究与实现

摘要

在已知的所有能量形式中，声波是在水下传播效率最好的能量形式，人们的很多海洋活动都要依赖声波进行，例如水下通讯、水下目标探测等，在民用和军用领域都有着重要的作用。声波在海洋环境中的响应形成了水声场，海洋环境的不同，形成的水声场的分布形态也就不同，因此，对所测量海域的水声场进行直观的呈现就显得尤为重要，这种呈现行为即为水声场三维可视化。
　　本课题对海洋水声场的三维可视化技术进行研究，并结合海洋水声场数据及模型的特点，设计了基于光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法;针对该方法在绘制速率方面的不足，对其进行改进，仿真结果表明改进方法有效提升了海洋水声场三维可视化的性能;在此基础上，完成了海洋水声场三维可视化软件的设计与开发，为用户直观感知水声场的形态结构、定性地分析水声场的分布规律提供帮助。
　　首先，对三维可视化相关的算法进行深入的研究，总结分析了它们的优点与不足。在此基础上，选择光线投射算法作为本课题的核心算法，并对该算法的基本原理和关键技术进行了深入研究。
　　其次，结合海洋水声场数据的特点，设计了基于光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法，实现了海洋水声场的4种三维可视化效果。结果表明，本文设计的基于光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法执行时间较长，但可以较好的实现海洋水声场的三维可视化，图像质量满足用户需求。
　　再次，针对光线投射算法存在的不足，基于海洋水声场数据的特点对该算法进行改进，提出了一种基于改进光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法，对该改进方法进行了仿真实验。实验结果表明，与基于传统光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法相比，改进的方法执行时间大大缩短，且图像质量依然满足用户需求。
　　最后，在前述工作的基础上，对海洋水声场三维可视化软件进行了分析设计，并基于Visual Studio2010开发环境和跨平台UI设计工具Qt完成了软件的开发。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景和意义

1．2海洋水声场三维可视化方法研究现状

1．3论文的主要内容及章节安排

第2章三维可视化方法研究

2．1三维可视化方法分类比较

2．1．1面绘制方法

2．1．2体绘制方法

2．1．3面绘制方法与体绘制方法比较分析

2．2光线投射算法基本原理

2．2．1重采样插值

2．2．2传递函数设计

2．2．3图像合成

2．3本章小结

第3章基于光线投射算法的水声场三维可视化

3．1海洋水声场数据及其组织形式

3．1．1海洋水声场数据

3．1．2 N*2D弱三维数据组织形式

3．2重采样点坐标计算

3．2．1图像坐标系到世界坐标系的转换

3．2．2光线与圆柱包围盒交点坐标计算

3．2．3重采样点坐标计算

3．3重采样点插值计算

3．3．1直角坐标到柱坐标的转换

3．3．2近似三线性插值

3．4重采样点数据分类

3．4．1完整数据显示的分类方式

3．4．2可见声场显示的分类方式

3．4．3部分数据突显的分类方式

3．5基于光线投射算法的水声场可视化实现

3．5．1可视化平台环境

3．5．2三维水声场可视化图像绘制

3．5．3结果分析

3．6本章小结

第4章海洋水声场三维可视化方法优化

4．1传统光线投射算法分析

4．1．1时间复杂度分析

4．1．2三维数据分析

4．2基于改进光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法

4．2．1重采样环节优化

4．2．2图像合成环节优化

4．3仿真实验

4．3．1重采样环节优化结果与分析

4．3．2图像合成环节优化结果与分析

4．4本章小结

第5章海洋水声场三维可视化软件设计与实现

5．1软件概述

5．2软件架构设计

5．3软件的功能模块实现

5．3．1数据预处理

5．3．2三维图像绘制

5．3．3人机交互

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