[发明专利]航海模拟器场景中的海浪构网算法

说明书

技术领域

本发明属于航海场景仿真技术领域，涉及一种航海模拟器场景中的海浪构网方法。

背景技术

航海模拟器是一种典型的人在回路中的仿真系统，航海模拟器的场景为模拟器操纵者提供了海上训练任务的虚拟景象，其中显示的海浪一般约占整个场景的一半区域，因此海浪是航海模拟器场景的重要组成部分，也是评价航海模拟器视景系统好坏的关键依据。

绘制海浪场景最关键的问题是海浪构网，即如何用多边形网格实时构建出海浪表面的几何形状。海浪构网需要解决两个主要问题：一是海平面网格模型的建立，二是网格模型中网格顶点高度的计算。海平面网格模型的网格间距和拓扑结构直接影响海浪绘制的实时性，而网格顶点高度的计算直接关系海浪绘制的真实感，近年来，国内外学者对这两个问题进行了一些研究。

在海平面网格模型的研究中：尹勇^[1]将海面划分为动态海面和静态海面，动态海面由以视点位置为中心的M×N个网格组成，动态海面的外围区域为静态海面；Hinsinger等^[2]提出一种自适应的网格模型，该模型将屏幕上显示的海面区域细分成M×N个矩形网格单元，每个单元按照逆向透视投影到静止的海平面上，从而获得海面上对应的不均匀分布的M×N个网格位置；解翠^[3]对这种自适应的海平面网格模型进行了改进，提出了梯形网格模型；Johanson^[4]提出了投影网格模型，在投影空间建立一个与视线垂直的均匀网格平面，再将该平面投影到世界空间的海平面上。

在网格顶点高度的计算方面，随着图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)性能及可编程能力的大幅度提高，基于GPU利用高度图来计算网格顶点高度逐渐成为研究的热点。高度图是保存高度的纹理图，已提出的比较有代表性的高度图生成方法有：Johanson^[4]采用Perlin噪声生成海面高度图；Kryachko^[5]利用顶点纹理获取技术，将美工创建的多个灰度图进行叠加和重复来生成高度图；Isidoro等^[6]和Finch等^[7]分别利用正弦波和Gerstner波叠加计算高度图。

现有海浪构网方法主要存在以下不足：

1)梯形网格、投影网格等模型的提出，加快了海浪绘制的速度，但这些网格模型的拓扑结构不合理，不能实现完全合理的层次细节(Level of Detail，LOD)，且模拟的海面容易出现走样现象。

2)利用现有的高度图生成方法绘制的海浪不能准确体现风对海浪的影响。风所引起的波浪是海面上分布最广的、对于船舶航行和海洋工程实际活动影响最大的波浪，在航海模拟器的船舶模拟驾驶以及工程方案论证中，都要考虑风浪对船舶及码头等的影响，因此航海模拟器的海浪绘制必须要考虑风的作用，也就是说海浪的大小应与风的大小相对应。

3)现有的海浪构网方法无法体现海浪与视点的相对运动。在船舶实际驾驶时，海浪与船舶之间的相对运动是一个比较重要的航行参照，因此在航海模拟器中必须体现海浪与船舶(视点“绑定”在船舶上)的相对运动。

参考文献：

[1]尹勇.分布式航海仿真系统中视景实时生成算法的研究[D].大连：大连海事大学，2001.

[2]Hinsinger D，Neyret F，Cani M P.Interactive animation of ocean waves[C]// Proceedings of the 2002 ACMSIGGRAPH/Eurographics Symposium on Computer Animation，San Antonio，2002：161-166.

[3]解翠.基于Web的航海训练环境中关键技术的研究[D].大连：大连海事大学，2005.

[4]Johanson C.Real-time water rendering：introducing the projected grid concept[D].Lund：Lund University，2004.

[5]Kryachko Y.Using vertex texture displacement for realistic water rendering[M].Pharr M.GPU Gems2.Boston：Addison Wesley，2005：283-294.