[发明专利]一种基于粒子系统的海面航迹并行化仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于海洋可视化技术领域，具体涉及一种利用GPU并行处理的、基于粒子系统的海面航迹仿真方法。

背景技术

海洋可视化（Ocean Visualization）是运用计算机图形学技术，以可视化的形式，模拟海洋表面在时间和空间上的实时变化及所呈现出的视觉效果。

海面航迹仿真是模拟舰船在海面上航行激起的海面浪花翻滚及扩散现象。从仿真效果来讲，整个仿真内容包含三部分：一是航迹没有影响到的普通的海面区域；二是航迹的翻滚和扩散现象；三是航迹对正常海面的扰动现象。

对于航迹没有影响到的普通的海面区域仿真，核心问题是构建海面随机波动的高度场。目前已有的逼真度最高的仿真方法是基于物理模型的方法，如郭秋雷等人采用的基于GPU构架的平滑粒子流体动力学（SPH）方法（郭秋雷，唐逸之，刘诗秋，李桂清.2011,一个SPH流体实时模拟的全GPU实现框架.计算机应用与软件,28(11),69-72.）；Aziz Belmiloudi等人采用的求解Navier-Stokes方程的方法（Aziz Belmiloudi,Francoise Brossier.1997,Regularity Results for a Navier-Stokes Type Problem Related to Oceangraphy.Acta Applicandae Mathematicae,48,299-316.）等。这种基于物理模型的仿真方法虽然逼真度最高，但是其内部的物理规则运算过于复杂，虽然经过优化和加速，但目前仍然无法适用于实时仿真领域。另一种真实度较高的方法是基于海浪频谱模型的方法。如朱偲采用的基于Philips谱的方法(朱偲.2010,动态海洋环境仿真中的若干关键技术研究.华中科技大学.)，梁修锋等人采用的基于Jonswap谱的方法（梁修锋,杨建民,李俊,肖龙飞,李欣.2011,面向海洋工程应用的数值波浪水池.中国科学:物理学力学天文学,41,1123-122）等。这些方法依赖于数学模型，但相对于基于物理的方法来说运算量较小，在采取一些优化措施后，比较适用于大范围的实时海面仿真。

对于航迹的翻滚和扩散现象仿真，核心问题是逼真模拟航迹浪花的运动。目前被广泛采用的是基于Kelvin船行波理论和粒子系统相结合的方法，用浪花粒子模拟舰船航行中产生的尾迹浪花翻滚和扩散现象。Michael E.Goss就采用了这种方法（Michael E.Goss.1997,A real time particle system for display of ship wakes.Computer Graphics and Applications,IEEE,48:299-316.）。使用粒子系统能够较为逼真地模拟水波扩散，但随着粒子数量的增多，系统的实时性受到很大影响。为了提升仿真效率，赵欣等人提出了一种LOD-GPU混合加速的方法（赵欣,李凤霞,战守义,陈宏敏.2008,基于粒子系统实现船舶航迹仿真的加速方法.大连海事大学学报,34(1),54-57.），张芹等人提出了一些减少计算复杂度的方法（张芹,张健,闵建平.2003,提高粒子系统实时性的方法研究.计算机工程,29(18),46-48.）。

对于航迹对正常海面的扰动现象仿真，传统的实现方式只是单纯视觉效果的叠加，如马天等人提出的三维舰船航迹可视化方法(马天,黄建国,王汝夯,张群飞.2011,应用水波弥散特性的舰船航迹三维可视化新方法.西安交通大学学报,45(8),49-53.)。这种方式使得海面网格在本质上与舰船航迹几乎没有交互性，因此仿真效果不够真实。孙慧提出了一种网格和粒子交互的水波实时模拟方法（孙慧.基于粒子和波的水行为模拟.2010,华东师范大学.），但由其交互算法限制，在网格精细度增高和粒子数量增多时，系统实时性受到严重影响。

综上所述，现有海面航迹仿真方法主要聚焦在两个问题，一是增强仿真模型的真实感，二是提升仿真模型的运算速度。已有方法的缺陷在于，一方面不能够较为逼真地模拟航迹对正常海面的扰动现象，另一方面不能够达到真实性和实时性的良好协调。

基于GPU的并行处理是提升模型运算速度的有效方法。GPU的全称是Programmable Graphics Processing Unit，即可编程图形处理单元。GPU的硬件结构中拥有更多的ALU（Arithmetic Logic Unit，逻辑运算单元）用于数据处理，因此非常适合对密集型数据进行并行处理。海面航迹仿真中的网格运算和粒子运算都具有较为密集的运算量，而且内部运算法则相同，非常适合利用GPU进行并行运算处理。