航海模拟器视景系统中使用波数谱的海浪绘制

摘要

逼真的海浪绘制有助于提高航海模拟器视景系统的环境真实感。本文选择使用波数谱法作为航海模拟器视景系统的海浪绘制算法，对该算法进行了详细研究。
　　Phillips谱是使用波数谱法常用的波数谱，但该谱的谱常数在相关文献中并未给出。分析了Phillips谱的结构，发现Phillips谱的频率谱与P-M谱接近，令P-M谱与Phillips谱具有相同的势能，计算出Phillips谱的谱常数，解决了实际应用中谱常数依据不足的问题。用Phillips谱进行绘制，绘制结果出现波幅畸变;用其他波数谱进行绘制，也出现波幅畸变。针对该问题，提出了波幅畸变的校正方法。使用波数谱法由Tessendorf提出。重新推导了使用波数谱法，得到的海面高程和Choppy波向量的傅里叶系数均包含波数谱和波数向量离散积分域面积。比较发现，Tessendorf的傅里叶系数不包含波数向量离散积分域面积，这导致绘制结果出现波幅畸变。根据本文推导结果，对傅里叶系数进行修正，波幅畸变问题得到解决。osgOcean等开源程序使用了Tessendorf的算法，这些开源程序使用人为方法减小过大的振幅，这种人为方法虽有效但缺少理论依据。上述开源程序的海浪势能与本文方法的海浪势能接近，这印证了本文方法的有效性。
　　采用以海面质点垂直方向加速度为判据的方法绘制白浪，在该方法中提出了一种连续型白浪覆盖率模型。给出了海面质点垂直方向加速度的快速傅里叶逆变换形式。该模型用海面质点垂直方向加速度计算白浪覆盖率，模型参数通过标准遗传算法确定，通过调整参数可控制白浪消逝的时间。该模型计算的白浪覆盖率的均值与使用统计模型计算的白浪覆盖率相等。将计算所得的白浪覆盖率作为融合因子融合海面像素颜色和白浪纹理颜色，实现白浪的实时绘制。绘制的白浪可以较准确的反映风对白浪的影响，与实拍照片接近，符合蒲式风级的描述。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 航海模拟器概述

1．2 航海模拟器的视景系统

1．3 航海模拟器视景系统对海浪绘制的要求

1．4 本课题的研究内容及意义

1．5 本文各章节内容简介

第2章 流体与海浪绘制综述及算法的选择

2．1 基于计算流体力学模型的流体与海浪绘制

2．1．1 基于Euler法的流体绘制

2．1．2 基于Lagrange法的流体与海浪绘制

2．2 基于Perli n噪声模型的海浪绘制

2．3 基于视频数据的流体与海浪绘制

2．4 基于Gerstner波模型的海浪绘制

2．4．1 使用线性波模型法

2．4．2 使用方向谱法

2．4．3 使用波数谱法

2．5 航海模拟器视景系统中海浪绘制算法的选择

2．6 本章小结

第3章 使用波数谱法绘制海浪

3．1 频率谱，方向谱和波数谱

3．1．1 频率谱，方向谱和波数谱的含义

3．1．2 频率谱，方向谱和波数谱的关系

3．1．3 常用的频率谱和方向分布函数

3．2 使用波数谱的海浪绘制算法

3．2．1 算法的提出

3．2．2 算法存在的问题

3．3 Phillips谱的谱常数计算

3．3．1 Phillips谱的频率谱和方向分布函数

3．3．2 Phillips谱的频率谱与P-M谱的比较

3．4 绘制中的波幅畸变现象

3．5 波幅畸变的校正

3．5．1 快速傅里叶变换及逆变换

3．5．2 使用波数谱的海浪绘制算法的完整推导

3．5．3 用推导结果绘制海浪

3．6 波幅畸变校正方法的比较研究

3．6．1 与Tessendorf的使用波数谱的海浪绘制算法的比较

3．6．2与osgOcean等开源程序的比较

3．6．3 与使用方向谱法的比较

3．7 海浪谱参数对波形的影响

3．8 本章小结

第4章 白浪的实时绘制

4．1 白浪绘制的相关工作

4．2 以海面质点垂直方向加速度为判据的白浪绘制

4．2．1 海面质点波陡的计算

4．2．2 海面质点垂直方向加速度的计算

4．2．3 白浪覆盖率的计算

4．2．4 白浪绘制中连续型白浪覆盖率模型的应用

4．2．5 海面像素的融合

4．3 本章小结

第5章 大尺度海浪的绘制

5．1 航海模拟器视景系统中场景的组织结构

5．2 海面网格的构造及海浪绘制的流程

5．2．1 海面网格的构造

5．2．3 海浪绘制的流程

5．3 白浪的绘制结果

5．4 白浪绘制结果的分析与比较

5．4．1 白浪绘制结果与实拍海面和蒲式风级的比较

5．4．2 白浪绘制结果与以往文献中绘制结果的比较

5．4．3 海面自浪覆盖率与经验公式计算自浪覆盖率的比较

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

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