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海浪绘制及仿真技术研究

海浪绘制及仿真技术研究

作者：肖维超哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

近年来,大规模海浪场景的绘制越来越受到计算机图形学研究者的关注。一方面,对海浪的实时绘制已经成为计算机游戏、虚拟现实应用以及电影制作的强有力的辅助工具;另一方面,从科学研究的角度上说,海浪的模拟研究不仅仅在计算机图形学领... 详细信息

近年来,大规模海浪场景的绘制越来越受到计算机图形学研究者的关注。一方面,对海浪的实时绘制已经成为计算机游戏、虚拟现实应用以及电影制作的强有力的辅助工具;另一方面,从科学研究的角度上说,海浪的模拟研究不仅仅在计算机图形学领域具有重要的意义,同时对于水力学、流体力学、波动力学、海洋学等都具有重要的实际意义。本文深入研究了基于海浪谱的快速Fourier变换的大范围深海场景的绘制方法。在海浪建模方面,本文采用基于海浪谱统计模型的Fourier变换方法,不仅计算出了用于水面网格变形的顶点三维数据,还计算出了用于水面光照计算的表面法向量和切向量,将得到的高度场数据平铺到可见区域的网格上以模拟出整个可见海面的波浪效果。本文还建立了海面的挤压波模型,通过控制水平方向偏移量来实现海面积压波效果。在海浪网格的简化方面,通过对几种典型的网格模型简化算法的研究,本文采用了基于点删除的简化算法对生成的海面网格进行了一定的简化,节省了海浪的绘制时间,进一步提高了海浪的实时性。在海浪的渲染方面,本文采用了纹理映射技术,即通过在海面网格上贴上真实的海浪纹理来增加海浪的真实感,并且加入了光照效果,提高了海浪的逼真度。最后,根据上面对海浪的模拟算法和绘制技术的的研究,依据面向对象的设计原则,编程实现了一个海浪仿真的演示系统。

关键词：海浪绘制快速Fourier变换高度场纹理映射

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表面波法海浪绘制综述

计算机工程与设计 2014年第6期35卷 2127-2134页

作者：陈丽宁金一丞任鸿翔尹勇大连海事大学航海动态仿真和控制交通行业重点实验室辽宁大连116026

将海浪绘制方法划分为计算流体力学法与表面波法,对表面波法近年的发展进行综述。表面波法又可分为Gerstner波法、快速傅里叶逆变换法,前者绘制结果为规则波,后者绘制结果为不规则波,两者都适于实时绘制大尺度海浪,且能实现波浪破碎。... 详细信息

将海浪绘制方法划分为计算流体力学法与表面波法,对表面波法近年的发展进行综述。表面波法又可分为Gerstner波法、快速傅里叶逆变换法,前者绘制结果为规则波,后者绘制结果为不规则波,两者都适于实时绘制大尺度海浪,且能实现波浪破碎。对快速傅里叶逆变换法所用海浪谱进行改进,使绘制的海浪能体现风距、风速的影响。对波数向量采样进行优化以提高绘制效率;改进海浪破碎方式,使绘制结果与观测数据更接近。

关键词：海浪绘制 Gerstner波快速傅里叶逆变换海浪谱风距航海模拟器

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流体与海浪绘制综述

小型微型计算机系统 2017年第2期38卷 363-370页

作者：陈丽宁金一丞尹勇唐强荣广州航海学院海运学院广州510725 大连海事大学航海动态仿真与控制交通行业重点实验室辽宁大连116026

对流体与海浪绘制进行了综述.首先,对流体与海浪的绘制方法进行分类,并介绍了各绘制方法的研究进展.流体与海浪的绘制方法可分为两大类:基于模型的绘制、基于视频数据的绘制.基于模型的绘制可分为基于计算流体力学(Computational Fluid ... 详细信息

对流体与海浪绘制进行了综述.首先,对流体与海浪的绘制方法进行分类,并介绍了各绘制方法的研究进展.流体与海浪的绘制方法可分为两大类:基于模型的绘制、基于视频数据的绘制.基于模型的绘制可分为基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型的绘制、基于Perlin噪声模型的绘制、基于Gerstner波模型的绘制.其中,基于CFD模型的绘制又可分为基于Euler法的绘制、基于Lagrange法的绘制;基于Gerstner波模型的绘制又可分为直接使用Gerstner波模型的绘制、使用快速傅里叶逆变换形式Gerstner波模型的绘制.基于视频数据的绘制可分为可控水体的绘制、大尺度水体的绘制.进而,对上述绘制方法进行比较,分析了各绘制方法的优缺点、适用范围.最后,探讨了各绘制方法的发展趋势.

关键词：流体绘制海浪绘制计算流体力学 Gerstner波

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海浪实时绘制中波浪谱的选择

图学学报 2014年第2期35卷 173-180页

作者：陈丽宁金一丞任鸿翔大连海事大学航海动态仿真与控制交通行业重点实验室辽宁大连116026

Phillips谱是海浪实时绘制中常用的波浪谱。首先分析了Phillips谱的结构,指出该谱是一个瞬时空间谱,其频率谱符合Neumann形式,与P-M谱接近,其方向分布函数为国际拖曳水池会议推荐的形式。令P-M谱与Phillips谱具有相同的单位面积波能,给... 详细信息

Phillips谱是海浪实时绘制中常用的波浪谱。首先分析了Phillips谱的结构,指出该谱是一个瞬时空间谱,其频率谱符合Neumann形式,与P-M谱接近,其方向分布函数为国际拖曳水池会议推荐的形式。令P-M谱与Phillips谱具有相同的单位面积波能,给出了Phillips谱风速的确切含义并计算出该谱的常数。除了使用Phillips谱,还尝试其它形式的谱。用P-M谱和cos-2s形式方向分布函数构造了瞬时空间谱PM-cos2s形式,用JONSWAP谱和Poisson形式方向分布函数构造了瞬时空间谱J-Po形式。比较3种谱的绘制结果发现,使用Phillips谱、PM-cos2s谱的绘制结果均能反映风速对海浪的影响,不能反映风距的影响,使用J-Po谱的绘制结果既能反映风速、也能反映风距对海浪的影响,且三者的绘制帧率一致。如果要选择适合航海模拟器中海浪绘制的瞬时空间谱,该谱的风参数既应包括风速,也应包括风距,且生成波应在风向的(-?,?]范围内,因此J-Po谱在三者中最适合航海模拟器。绘制结果已应用于航海模拟器中。

关键词：海浪绘制 Phillips波浪谱方向分布函数风速

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不规则海浪实时绘制中波浪谱的比较与选择

山东大学学报（工学版） 2013年第6期43卷 47-52页

作者：陈丽宁金一丞任鸿翔尹勇大连海事大学航海动态仿真和控制交通行业重点实验室辽宁大连116026

Phillips谱在不规则海浪实时绘制中使用广泛。分析Phillips谱的结构,并计算出Phillips谱的频率谱和方向分布函数。Phillips谱的频率谱与P-M谱接近,因此参考P-M谱计算Phillips谱的常数A,并对谱风速进行说明。除了使用Phillips谱,还尝试... 详细信息

Phillips谱在不规则海浪实时绘制中使用广泛。分析Phillips谱的结构,并计算出Phillips谱的频率谱和方向分布函数。Phillips谱的频率谱与P-M谱接近,因此参考P-M谱计算Phillips谱的常数A,并对谱风速进行说明。除了使用Phillips谱,还尝试其它形式的谱。用P-M谱和cos(-2s)形式方向分布函数构造PM-cos2s谱,用JONSWAP谱和Poisson形式方向分布函数构造J-Po谱。用上述3种谱绘制海浪,并比较绘制结果。Phillips谱和PMcos2s谱绘制的海浪可体现风速的影响,J-Po谱绘制的海浪可以体现风速、风距的影响,3种谱绘制的帧率相同。由于J-Po谱能反映风速、风距的影响,且生成波在风向(-π,π]范围内,因此J-Po谱更适合于航海模拟器。

关键词：海浪绘制 Phillips谱方向分布函数风速

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无粘性海浪实时绘制综述

计算机应用与软件 2015年第2期32卷 1-4页

作者：陈丽宁金一丞任鸿翔尹勇大连海事大学航海动态仿真与控制交通行业重点实验室辽宁大连116026

根据是否考虑液体粘性,对海浪绘制进行分类,并对无粘性海浪实时绘制展开综述。无粘性海浪的绘制忽略了液体粘性,绘制结果能体现风的影响,且绘制实时性好。无粘性海浪的实时绘制可分为基于规则波的方法和基于不规则波的方法,真实的海浪... 详细信息

根据是否考虑液体粘性,对海浪绘制进行分类,并对无粘性海浪实时绘制展开综述。无粘性海浪的绘制忽略了液体粘性,绘制结果能体现风的影响,且绘制实时性好。无粘性海浪的实时绘制可分为基于规则波的方法和基于不规则波的方法,真实的海浪可以视为随机过程,因此基于不规则波的方法较之于基于规则波的方法更接近实际情况。提出基于不规则波方法中可能的改进:对基于不规则波方法中所用的海浪谱进行改进,使绘制结果能体现风速、风距的影响。

关键词：无粘性海浪海浪绘制波数波浪谱

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使用波数谱绘制海浪波幅畸变的校正

计算机辅助设计与图形学学报 2015年第9期27卷 1617-1624页

作者：陈丽宁金一丞任鸿翔尹勇大连海事大学航海动态仿真与控制交通行业重点实验室大连116026

针对快速傅里叶逆变换形式Gerstner波绘制海浪出现波幅畸变的问题,提出使用波数谱绘制海浪波幅畸变的校正方法.首先重新推导了包含基元波振幅的快速傅里叶逆变换形式Gerstner波;然后用右侧Riemann求和对波数谱的定积分进行离散,离散积... 详细信息

针对快速傅里叶逆变换形式Gerstner波绘制海浪出现波幅畸变的问题,提出使用波数谱绘制海浪波幅畸变的校正方法.首先重新推导了包含基元波振幅的快速傅里叶逆变换形式Gerstner波;然后用右侧Riemann求和对波数谱的定积分进行离散,离散积分域的边界值由快速傅里叶逆变换对波数向量的采样方式决定,得到基元波振幅的近似解;最后将该近似解代入上述推导所得的形式中,得到傅里叶系数中包含波数谱和离散积分域面积的快速傅里叶逆变换形式Gerstner波.实验结果表明,采用该方法可以准确地计算海浪势能和基元波振幅,绘制结果波形稳定,有效地解决了波幅畸变的问题.

关键词：海浪绘制 Gerstner波快速傅里叶逆变换基元波振幅波数谱定积分离散

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基于物理模型的近岸海浪建模与实时绘制

中国图象图形学报 2010年第3期15卷 518-523页

作者：李永进金一丞任鸿翔华炜大连海事大学航海学院大连116026 公安海警高等专科学校船艇指挥系宁波315801 浙江大学CAD&CG国家重点实验室杭州310058

提出一种可以逼真地模拟大面积近岸海浪的方法。首先利用Boussinesq类方程求得指定海域一段时间内的海面运动序列;然后通过对此序列进行重建,得到"无限"长的海面运动序列;最后把相应的海面高度场作为顶点纹理进行绘制。在绘制时采用视... 详细信息

提出一种可以逼真地模拟大面积近岸海浪的方法。首先利用Boussinesq类方程求得指定海域一段时间内的海面运动序列;然后通过对此序列进行重建,得到"无限"长的海面运动序列;最后把相应的海面高度场作为顶点纹理进行绘制。在绘制时采用视点相关的海面网格,达到实时绘制的效果。实验表明,该方法模拟的大面积近岸海浪真实感强,绘制速度快,适合于实时仿真应用。

关键词：近岸海浪模拟海浪建模海浪绘制海浪模拟

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基于浅水海浪数值模型的近岸海浪仿真

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2014年第3期38卷 511-515页

作者：肖剑波胡大斌胡锦晖海军工程大学船舶与动力学院武汉430033

针对航海模拟器中视景仿真的要求,对海浪进行实时仿真.在分析近岸水波模拟中几何合成法和物理方法的基础上,提出一种利用浅水海浪SWAN数值模型的近岸海浪仿真方法.该方法基于Gerstner海浪波形,通过对需要模拟水域进行水深数据采集,应用S... 详细信息

针对航海模拟器中视景仿真的要求,对海浪进行实时仿真.在分析近岸水波模拟中几何合成法和物理方法的基础上,提出一种利用浅水海浪SWAN数值模型的近岸海浪仿真方法.该方法基于Gerstner海浪波形,通过对需要模拟水域进行水深数据采集,应用SWAN对网格化水深数据进行相应的计算,得到近岸海域的波高、相位以及频率数据.通过采样得到Gerstner波形所需参数进行合成.基于GPU实现了LOD海面的几何绘制和光学效果.实验表明,该方法在满足近岸水波数值特性的同时,绘制方法简单且速度快,能够满足航海模拟器近岸航行训练的需求.

关键词：近岸海浪 SWAN模型 Gerstner波形海浪绘制