面向钻井平台的海上环境模拟技术研究

摘要

随着走向“深海”战略和海上产业的发展，海洋有关研究逐渐受到各领域重视，其中可应用军事仿真、航海、电影特效的海上环境模拟成为了近年来一个热门研究课题。由于虚拟现实技术可用于各行业技术决策、理论验证和评估以及效果增强等，是目前海上环境模拟的主要技术之一。本文利用虚拟现实技术，借助于基于Vega的视景仿真平台进行三维海洋环境模拟及海上钻井平台与固定平台对接过程的环境对象和数据的可视化技术研究，其中重点研究动态海浪建模技术、海浪绘制加速技术以及基于Vega的三维海上钻井平台与固定平台的仿真过程，具体内容如下：
　　（1）高真实感的动态海浪建模是海上环境模拟的前提和首要因素，本文主要研究基于几何理论的动态海浪模拟方法。通过分析基于物理的海浪建模方法、基于几何模型的海浪建模方法，提出基于区域划分和噪声函数改进的动态海浪建模方法。首先利用熵函数进行海浪区域划分，并采用区域约束函数以提取熵值较低的波峰区域，然后利用噪声函数对该区域进行海浪细节添加，在提高动态海浪的真实感的基础上，减少系统计算量。
　　（2）实时的海浪绘制是海上环境模拟的关键因素，针对动态海浪的绘制速度慢的问题，提出基于视点的多分辨率网格数据调度方法。该方法根据视觉敏感特性将视觉区域划分为视点区域、视点潜在区域以及视点卸载区域，然后根据视点运动速度和方向调用不同分辨率的海浪网格，减少海浪绘制过程的数据调度量，提高其绘制速度。另外，利用GPU的硬件并行特性进行海浪纹理贴图处理和光照模型计算，以进一步提高海浪绘制效率。
　　（3）三维海上钻井平台模型及固定平台模型是海上钻井平台模拟系统重要组成部分，针对该模型数据量大的问题，从三维模型和纹理贴图两方面进行简化。首先删除不可见部分、简化圆柱体面数，然后利用纹理贴图、对象实例化以及外部引用技术等来进一步简化模型，减少模型加载时间，提高系统运行效率。
　　（4）三维海上钻井平台与固定平台对接过程是海浪建模、海浪绘制以及模型优化技术的验证，是其技术转化为应用的关键步骤。本文基于Vega软件实现三维海上钻井平台与固定平台和对接过程，利用LynX环境对系统进行配置，并利用C语言系统实现进一步开发。系统可以快速加载海浪模型和钻井平台及固定平台模型，并可保证动态海浪的真实感，满足系统的实时绘制要求。

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第1章 绪论

1.1论文选题背景及意义

1.2 国内、国外研究现状

1.3 论文研究的主要内容

1.4 论文的组织结构

第2章 动态海浪建模方法研究

2.1海浪基本理论及建模方法

2.2 海浪谱理论

2.3 噪声函数

2.4 Vega中动态海浪建模方法的改进

2.5实验结果

2.6 本章小结

第3章 海浪绘制加速方法研究

3.1基于 LOD的海面网格构建技术

3.2 GPU的发展历程

3.3 基于运动视点的多分辨率网格构建

3.4 基于GPU的海浪模拟加速方法

3.5 实验与结果分析

3.6 本章小结

第4章 基于Vega的海上钻井平台对接仿真

4.1 系统背景及相关基本知识

4.2 系统中载体模型方法研究

4.3 距离量算方法研究

4.4提高海面效果数据库的获取方法

4.5 系统实现

4.6 实验及结果分析

4.7 本章小结

结论

参考文献

致谢