航海模拟器中大规模冰区场景建模及可视化

摘要

冰区航行与普通海域航行有着很大的不同。近年来，在船舶驾驶人员的适任标准和航海模拟器的认证标准中，IMO(世界海事组织)都新增了对冰区航行相关内容的附加要求，这意味着针对冰区航行相关视景的仿真研究势在必行。现有冰区航行视景研究中存在的问题有:1）缺少适用于冰区航海模拟器的海冰物理模型;2）缺少可进行破碎仿真的海冰几何图形建模方法;3）缺少大规模海冰场景管理方法。以解决上述问题为研究目的，论文的主要研究工作如下:
　　1.根据挪威船级社和德国劳氏船级社对冰区航海模拟器的认证要求，对冰区视景系统进行架构设计，确定了海冰模型为视景系统核心，并对其关键性问题做出了阐述。
　　2.分析总结并仿真验证了海冰热力条件以及特征冰厚对海冰厚度的影响，然后详细研究了船冰交互过程中海冰的数值计算，将其模块化为破冰模块和刚体运动模块。以半无限平面弹性地基理论、楔形梁结构以及能量守恒理论为基础，对船冰交互过程进行了仿真计算和验证，最终提出了一种适用于航海模拟器冰区视景的海冰物理模型。
　　3.为了同时满足冰区航行视景系统的真实感和实时性要求，在海冰物理特性分析的基础上对海冰进行了几何图形建模。采用Voronoi图算法对三维海冰模型进行破碎处理，并将OBB包围盒碰撞检测算法应用于船冰交互过程，建立海冰图形模型，最终结合海冰物理特性对破冰过程以及航道封冻过程进行可视化仿真，获得沉浸感较高的仿真效果，且完全可以满足实时交互的需求。
　　4.将四叉树空间索引算法应用于海冰模型数据的动态创建和管理，较大程度上减少了资源的消耗，进一步提升整个视景系统的流畅性。该算法优化了海冰场景的可视化效果，为航海模拟器海冰视景场的实时仿真提供了创建和管理基础，也为冰区航海模拟器视景系统后续的船冰交互过程仿真提供了科学高效的数据基础。本文最终利用OSG场景绘制引擎、3DS MAX建模、图像处理和可视化编程等相关技术，对大规模冰区场景进行了可视化实现。
　　论文研究获得的冰区视景仿真效果真实感和实时性较高，适用于冰区航海模拟器。该研究成果不仅对推进冰区航海模拟器国产化研制具有现实意义，而且为后续相关研究打下了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 冰区航海模拟器概述

1．3 航海模拟器冰区视景研究内容及现状

1．4 海冰模型研究现状

1．4．1 海冰物理特性研究现状

1．4．2 海冰几何图形建模研究现状

1．5 现有研究中存在的问题

1．6 论文研究的主要内容

1．7 论文研究的技术路线和章节安排

第2章 海冰建模相关基础理论

2．1 引言

2．2 现实海冰简介

2．2．1 海冰的分类

2．2．2 冰量情况对船舶冰区航行的影响

2．3 海冰热力过程

2．3．1 海冰上表面热力分析

2．3．2 海冰层内的热力分析

2．3．3 海冰下表面的海洋热通量’

2．4 半无限平面弹性地基理论

2．5 小结

第3章 基于物理特性的海冰仿真建模

3．1 引言

3．2 热力条件对海冰厚度的影响

3．2．1 海冰层内温度场与冰厚的计算

3．2．2 海冰厚度仿真计算

3．2．3 海冰的特征冰厚

3．3 冰区航行视景中的船冰交互过程分析

3．3．1 冰区船舶运动

3．3．2 冰区海冰运动

3．4 船冰交互过程中的海冰计算模型

3．4．1 基于半无限平面弹性地基理论和楔形梁结构的破冰计算模块

3．4．2 弯曲应力及楔形碎冰特征仿真计算

3．4．3 基于能量守恒理论的碎冰运动模块

3．4．4 破冰能量分析及仿真

3．5 小结

第4章 海冰模型中的几何图形建模

4．1 引言

4．2 原海冰几何图形算法存在的问题

4．2．1 原算法的简述

4．2．2 存在的问题

4．3 Voronoi图算法在海冰破碎中的应用

4．3．1 Voronoi图的概述及性质

4．3．2 将Voronoi图算法引入海冰几何图形建模

4．3．3 海冰模型预破碎处理

4．4 海冰几何图形建模可视化

4．4．1 算法流程

4．4．2 建模过程

4．5 碰撞检测处理

4．5．1 原算法的短板

4．5．2 包围盒算法的引入

4．5．3 基于OBB算法进行船冰碰撞检测

4．5．4 算法流程

4．6 结合海冰物理特性进行视景仿真

4．6．1 破冰过程视景仿真

4．6．2 冰区航道封冻过程视景仿真

4．7 小结

第5章 大规模海冰视景场动态管理及可视化实现

5．1 引言

5．2 场景管理问题分析

5．3 四叉树空间索引的引入

5．4 基于四叉树空间索引动态管理海冰视景场

5．4．1 海冰视景场的结构分析

5．4．2 算法流程

5．4．3 运行实例

5．5 冰区场景系统可视化

5．5．1 场景绘制工具

5．5．2 海冰场景绘制

5．5．3 积雪融雪过程绘制

5．6 小结

第6章 结论和展望

6．1 论文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

攻读学位期间公开发表的论文

致谢

作者简介