内河船舶操纵模拟器中大尺度河流绘制

摘要

河流视景的环境真实感是评价内河船舶操纵模拟器的重要指标之一，逼真的河流仿真环境是使用模拟器提高内河船员训练质量的重要保障。因此，本文面向内河船舶操纵模拟器中河流视景真实感提升的迫切需求，研究河流建模的理论和方法，构建了河流速度场求解模型并实现了真实感较高的大尺度河流视景实时绘制。
　　内河船舶操纵模拟器河流视景中河流的仿真重点关注两方面:一是河流运动建模;二是河流的实时绘制。其中河流运动建模是河流仿真的关键前提，目前内河船舶操纵模拟器中河流运动建模主要基于波浪谱方法，不能体现河流的流动性，而流动性也是河水区别于海水的主要特性之一，因此在进行内河船舶操纵模拟器河流仿真时，首要问题是建立河流的运动模型。之后在河流表面绘制阶段，需生成连续的河流表面，体现河流的流动性。河流的运动将导致表面纹理变形，从而使河流表面绘制失真。因此，需要解决河流运动与表面纹理属性保持的矛盾问题，并考虑河流场景绘制的实时性要求。
　　针对以上考虑因素，首先在河流运动建模方面，本文提出基于过程法构建河流速度场。主要是基于流函数求解河流速度场，该方法具有计算量小，可逼真地体现河流流动性的特点。该方法的核心思想是通过反距离加权法构建了河道内各点的流函数进而求解河流速度场。最后，利用内河船舶操纵模拟器中的单河道地形、分支河道地形以及具有固定障碍物的复杂河道地形对模型进行了仿真实验，仿真结果表明本文构建的河流速度场求解模型能适用于多种复杂河道地形，且求解的速度场可较真实地体现河流流动特性，符合河流速度场与河道宽度的耦合关系。
　　其次在河流的实时绘制方面，本文提出基于纹理块实现河流表面的纹理映射。为平衡显示效果和仿真效率，提出基于河道岸界控制的泊松盘采样点快速生成算法，在河道内生成采样点，并通过该采样点控制河流表面的纹理分布，之后利用求解的河流速度场驱动纹理块。该方法可生成连续运动的河流表面，从而真实地体现求解的河流速度场。同时，为实现内河船舶操纵模拟器中大尺度河流视景的实时绘制，本文基于求解的速度场改进了TDF算法，并利用GPU、GLSL着色器编程结合LOD技术实现了包括河流、地形场景及岸上大量的建筑物场景在内的大尺度河流视景的实时渲染，采用立方体映射和平面反射方法实现了河水表面的反射效果。仿真结果表明本文构建的河流视景环境真实感强，且满足仿真的实时性要求。
　　本文解决了内河船舶操纵模拟器中河流的运动建模这一研究难点以及大尺度河流场景的实时绘制问题，研究成果适用于多种复杂河道，可逼真地体现河流的运动特性，并能实时渲染大尺度河流视景，有效地提升内河船舶操纵模拟器的仿真环境真实感，给操作人员提供高真实感的仿真环境。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．2研究现状

1．2．1内河船舶操纵模拟器研究现状

1．2．2河流建模研究现状

1．2．3河流可视化研究现状

1．3本研究领域存在的问题

1．4论文研究内容与章节安排

1．4．1研究内容

1．4．2章节安排

第2章河流仿真的基本理论和方法

2．1河流建模的理论基础

2．1．1 N-S方程

2．1．2浅水方程

2．1．3流函数

2．2泊松盘分布算法

2．2．1泊松盘的定义和性质

2．2．2泊松盘分布算法的研究现状

2．3河流视景仿真的基本方法

2．3．1河流视景模型的建模

2．3．2河流视景的渲染引擎

2．4本章小结

第3章河流速度场建模与求解

3．1算法的提出

3．2河道边界流函数的解算

3．3基于流函数的复杂河道河流速度场建模

3．3．1仿真实验设计

3．3．2单河道及分支河道河流速度场建模

3．3．3固定障碍物河道流体速度场建模

3．3．4仿真结果分析

3．4本章小结

第4章基于泊松盘分布算法的河流表面绘制

4．1河流表面绘制需考虑的问题

4．2高效泊松盘采样点算法的提出

4．2．1基于Dart throwing算法生成泊松盘采样点

4．2．2高效的泊松盘采样点生成算法

4．3基于泊松盘采样点控制的自适应河流表面绘制

4．3．1基于河道岸界控制的泊松盘采样点快速生成算法

4．3．2基于纹理块实现的连续河流表面

4．3．3河流表面纹理的自适应分布

4．4仿真实验

4．4．1河流表面绘制

4．4．2分析与讨论

4．5本章小结

第5章基于改进的TDF算法实时绘制大尺度河流视景

5．1大尺度河流实时绘制

5．1．1算法的提出

5．1．2基于已求解的河流速度场改进TDF算法

5．1．3基于GPU和GLSL提升TDF算法的效率

5．1．4河流表面绘制结果

5．2河水反射效果

5．3基于GDEM和Google Earth的地形场景建模及可视化

5．3．1地形模型构建

5．3．2地形纹理效果的改善

5．4河流视景渲染

5．4．1河流视景的LOD结构

5．4．2河流视景的仿真集成

5．5本章小结

第6章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

作者简介