基于i4Ocean2.0的海洋仿真与三维流场可视化应用研究

摘要

随着“21世纪海上丝绸之路”规划和海洋强国战略的提出，海洋作为地球生命的起源和摇篮，是人类生存的重要依赖与可持续发展的重要空间，也是拉动国家科技、经济建设的重要引擎。面对激烈的海洋竞争，合理的开发利用海洋、系统科学的管理海洋成为重要议题。海洋资源开发管理、海洋生态环境保护、海洋灾害预警决策、海洋大气环境科学研究、海洋公益服务都需要海洋信息系统的支持。目前海洋信息化建设取得了明显的进展，但仍然面临一些问题，主要表现为:全球海洋虚拟仿真与可视化基础应用平台建设不够;对海洋数据存储、共享、处理和分析手段不能有效应用推广，数据处理与信息挖掘能力弱;针对海洋数据和海洋过程的分析应用和多维动态可视化表达能力薄弱等。正是这些问题的存在，导致目前的海洋信息平台不能很好地满足海洋科学研究、资源管理和预警决策的需要。
　　围绕海洋虚拟仿真和海洋大气数据科学可视化需求，本文设计了基于图形化渲染加速和层级数据调度的虚拟现实与可视化平台，能够更好地支持海洋虚拟仿真与科学可视化综合分析应用。以海洋环境虚拟仿真和三维流场数据可视化为例，详细介绍了i4Ocean2.0架构对海洋应用的支持作用。针对海洋数据的时空特性，提出了海洋时空模型层级结构，可以同时支持有时空特性的海洋三维标量场数据和矢量场数据的可视化分析。为了更好地支持海洋作业仿真、海洋竞技仿真、海洋环境仿真等需求，本文设计了支持主流第三方建模软件制作的虚拟现实模型的存储结构，可以支持包括静态、动态模型的实时渲染和行为仿真，并提供地理信息数据的同步渲染。三维流场数据实时动态可视化是当前海洋数据分析与可视化的难点，本文分别针对海洋流场规则数据和不规则数据提出三维流线可视化生成和绘制方法。
　　本文的创新性工作主要包括如下内容:
　　(1)虚拟现实与可视化平台研发
　　本文设计了一款海洋虚拟现实与可视化应用平台，提出并实践了一套在对海洋环境中海面、水体、生物、水中特效、海底模型、海底地形等各可见要素进行三维虚拟，对海洋流场、海面风场、海表面温度、海表面盐度等非可见的重要海洋信息进行多角度多方式动态可视化的原型系统。使用自主研发的基于GPU编程的渲染引擎来进行各种可视化效果的加速渲染，使用了规范的特效管理方法来管理各种可视化特效，从而有助于三维虚拟现实技术和可视化技术在海洋环境分析与科学研究中发挥更好的作用。基于球体地理信息框架，通过海洋时空数据层级组织和调度策略，建立了面向海洋时空和特征分析的多源、异构海洋信息集成、共享与分析数字海洋平台，为海洋工作人员提供一个科学有效、便捷直观的三维虚拟环境和可视化分析与展示工具。
　　(2)流场数据三维流线动态可视化
　　在海洋可视化领域中，流场数据的三维动态可视化是一个研究难点。本文以SODA数据和POM模式数据为研究对象，分别对规则流场数据和不规则流场数据的三维流线可视化进行了研究。针对规则海洋流场数据，提出了基于粒子追踪和GPU加速的实时动态流线生成和绘制算法，解决了多维海洋时空数据的实时绘制难题;针对不规则海洋数据，提出一种基于四面体的三维流线生成技术，对该类数据的流线可视化提出一种解决方案。采用基于最大连通区域的种子点生成算法和龙格库塔积分算法，实现了多分辨率流线的动态绘制。为了提升可视化感知度，本文还设计了基于视点的流线外观自适应算法和透明度策略，并将海洋标量信息与矢量方向共同附着在流线上，实现海洋流场数据的定量时空透明表达。
　　(3)虚拟海洋场景交互仿真
　　在海洋虚拟现实仿真应用中，虚拟场景的实时性与逼真度是两个重要的需求。本文无缝融合了陆地景观与海洋场景，在保证较高渲染效率的同时实现了具有高逼真度的海洋场景及特效。采用场景树组织与基于块的内外存调度策略，结合GPU加速渲染技术，对虚拟海洋仿真过程中的海面网格建模、海浪波动、海面光学现象等多项虚拟仿真过程进行了交互设计，通过修改模型属性参数改变场景渲染特效，能广泛应用于各种海洋领域的虚拟交互仿真。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 三维数字软件平台

1．2．2 海洋环境仿真

1．2．3 流场数据可视化

1．3 研究目标和意义

1．4 论文组织结构

2 i4Ocean2．0平台设计

2．1 系统架构

2．2 渲染引擎

2．2．1 可编程特效

2．3 平台适配器

2．4 海洋时空数据结构

2．4．1 数据切片与命名

2．4．2 层级结构四叉树

2．4．3 海洋数据解译

2．4．4 数据请求流程

2．5 场景管理

2．5．1 平台节点树

2．5．2 内外存数据调度

2．6 本章小结

3 海洋环境交互仿真

3．1 仿真交互设计

3．1．1 海面绘制流程

3．1．2 仿真交互流程

3．2 海面网格创建

3．2．1 规则网格

3．2．2 投影网格

3．2．3 细分网格

3．2．4 渲染结果对比

3．3 海浪波动原理

3．3．1 海浪波动实现方法对比

3．3．2 基于噪声图的波动实现

3．4 海洋光学现象

3．4．1 海面反射现象

3．4．2 海面折射现象

3．4．3 菲涅尔现象

3．4．4 海洋深度信息

3．4．5 倒影扭曲现象

3．4．6 虚拟天空

3．4．7 水下焦散和气泡

3．5 实验结果分析

3．6 本章小结

4 海洋流场数据可视化

4．1 流场数据特点

4．2 种子点放置方法

4．3 规则流场数据动态三维流线可视化

4．3．1 粒子追踪

4．3．2 粒子密度控制

4．3．3 流线生成

4．3．4 实现过程

4．3．5 实验结果分析

4．4 不规则流场数据动态三维流线可视化

4．4．1 不规则流场数据预处理

4．4．2 最大连通量的种子点算法

4．4．3 流线积分

4．4．4 感知度优化策略

4．4．5 实验结果分析

4．5 可视化与地理信息一体化表达

4．5．1 空间坐标变换

4．5．2 GPU上算法的实现

4．5．3 实验结果分析

4．6 本章小结

5 应用实例

5．1 海上帆船竞技仿真

5．1．1 激光级帆船结构

5．1．2 帆船受力分析

5．1．3 帆船阻力分析

5．1．4 船速计算与仿真

5．2 海底鱼群仿真

5．2．1 基于透明度的分离力计算

5．2．2 基于MipMap的聚集力和并列力计算

5．2．3 基于“Ping-Pong”技术的位置、速度、朝向计算

5．2．4 骨骼动画内外机制

5．2．5 仿真结果

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 未来展望

参考文献

附录

致谢

个人简历

学术论文

发明专利

参与项目

学术交流

获奖情况