内河船舶操纵模拟器中大尺度河流绘制

发布时间：2020-11-01 07:48

　　 河流视景的环境真实感是评价内河船舶操纵模拟器的重要指标之一,逼真的河流仿真环境是使用模拟器提高内河船员训练质量的重要保障。因此,本文面向内河船舶操纵模拟器中河流视景真实感提升的迫切需求,研究河流建模的理论和方法,构建了河流速度场求解模型并实现了真实感较高的大尺度河流视景实时绘制。内河船舶操纵模拟器河流视景中河流的仿真重点关注两方面:一是河流运动建模;二是河流的实时绘制。其中河流运动建模是河流仿真的关键前提,目前内河船舶操纵模拟器中河流运动建模主要基于波浪谱方法,不能体现河流的流动性,而流动性也是河水区别于海水的主要特性之一,因此在进行内河船舶操纵模拟器河流仿真时,首要问题是建立河流的运动模型。之后在河流表面绘制阶段,需生成连续的河流表面,体现河流的流动性。河流的运动将导致表面纹理变形,从而使河流表面绘制失真。因此,需要解决河流运动与表面纹理属性保持的矛盾问题,并考虑河流场景绘制的实时性要求。针对以上考虑因素,首先在河流运动建模方面,本文提出基于过程法构建河流速度场。主要是基于流函数求解河流速度场,该方法具有计算量小,可逼真地体现河流流动性的特点。该方法的核心思想是通过反距离加权法构建了河道内各点的流函数进而求解河流速度场。最后,利用内河船舶操纵模拟器中的单河道地形、分支河道地形以及具有固定障碍物的复杂河道地形对模型进行了仿真实验,仿真结果表明本文构建的河流速度场求解模型能适用于多种复杂河道地形,且求解的速度场可较真实地体现河流流动特性,符合河流速度场与河道宽度的耦合关系。其次在河流的实时绘制方面,本文提出基于纹理块实现河流表面的纹理映射。为平衡显示效果和仿真效率,提出基于河道岸界控制的泊松盘采样点快速生成算法,在河道内生成采样点,并通过该采样点控制河流表面的纹理分布,之后利用求解的河流速度场驱动纹理块。该方法可生成连续运动的河流表面,从而真实地体现求解的河流速度场。同时,为实现内河船舶操纵模拟器中大尺度河流视景的实时绘制,本文基于求解的速度场改进了TDF算法,并利用GPU、GLSL着色器编程结合LOD技术实现了包括河流、地形场景及岸上大量的建筑物场景在内的大尺度河流视景的实时渲染,采用立方体映射和平面反射方法实现了河水表面的反射效果。仿真结果表明本文构建的河流视景环境真实感强,且满足仿真的实时性要求。本文解决了内河船舶操纵模拟器中河流的运动建模这一研究难点以及大尺度河流场景的实时绘制问题,研究成果适用于多种复杂河道,可逼真地体现河流的运动特性,并能实时渲染大尺度河流视景,有效地提升内河船舶操纵模拟器的仿真环境真实感,给操作人员提供高真实感的仿真环境。
【学位单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U666.158
【部分图文】：

速公路、铁路的同时，十分重视内河航运的战略地位和规划泊理，并且通过国际组??织的协调，形成四通八达的航道网［３，４］。目前我国有大小天然河流５８００多条，总长??４０多万公里。截至２０１６年末，全国内河航道通航里程达到１２．７１万公里［５］，图１所示??为全国各级内河航道分布情况。??为加快内河航运的快速发展，提升内河航运在运输体系中的作用。“十五”以??来，交通运输部先后制定了一批内河运输发展政策［６，７］。尤其是进入“十三五”以??来，交通运输部提出综合交通运输发展的总体目标：加快推进综合交通、智慧交通、??绿色交通、平安交通建设，加快完善综合交通基础设施网络，到２０２０年基本建成安??全便捷、畅通高效、绿色智能的现代综合交通运输体系。内河船员是船舶的直接操??纵和控制者，在内河交通运输中充当着一种纽带和核心作用［８］。因此，建设一支结??构合理、素质优良、业务精干的内河船员队伍将直接影响内河航运的健康有序发展。??一级一级＝级??１．０６〇／〇２．９０〇／〇－＾??七

和评估大纲》以及“有关专业和特殊培训考试和评估大纲”中对强制性和非强制??性模拟器训练提出了要求，这都为利用内河船舶操纵模拟器进行内河船员实操培??训和考试提供了依据。图１．２是内河船舶操纵模拟器系统框图，系统中的各个单元??通过网络系统进行通信，不仅可提供内河船员的考试与培训、港航设计方案论证、??还可逼真地模拟内河航道内的海事事故场景，真实地再现遇险船舶及人员的通信、??指挥、搜救等行动。其中本船单元为其主要部分，通常由配备３６０度水平视场角视??景系统的主本船以及两个配备１８０度水平视场角视景系统的副本船组成。??作为船舶操纵模拟器的一种，内河船舶操纵模拟器的优劣主要可从行为真实??感、环境真实感和物理真实感三方面来评价。其中，行为真实感和物理真实感可基??于船舶操纵模拟器改进和提升达到研发的要求，而现有的基于波浪谱方法实现的??河流视景系统不足以真实地体现环境真实感。由于河流占据视景系统一半以上的??－２－??

Ｆｉｇ．?１．３?Ｋ－ＳＩＭ?ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ?ｍａｒｉｎｅ?ｓｉｍｕｌａｔｏｒ??２０１４年１１月，Ｋｏｎｇｓｂｅｒｇ公司为适应将来更局级和综合的航海仿真培训，推出??新一代船桥模拟器，被命名为Ｋ－ＳＩＭＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ［１６，１７］，如图１．３所示。该船桥模??拟器在原有第六代船桥模拟器Ｐｏｌａｒｉｓ系列基础上开发，功能更加健全、性能更加稳??定。Ｋ－ＳＩＭＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ可根据用户需求方便地进行扩展，如增加额外的设备、工??作站和完整的集成船桥系统（锚操纵模拟器、动态定位模拟器等特殊功能模拟器以??及冰区航行、反海盗和ＳＡＲ培训）。Ｋ－ＳＩＭＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ视景系统采用Ｋｏｎｇｓｂｅｒｇ开??发的第七代视景系统ＳｅａＶｉｅｗＲ５，该系统基于ＯｐｅｎＳｃｅｎｅＧｍｐｈ（ＯＳＧ）三维图形引擎??开发，以Ｍｕｌｔｉｇｅｎ?Ｃｒｅａｔｏｒ作为建模软件。Ｋ－ＳＩＭＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ以高级的物理引擎和??先进的水动力建模技术为特色，船舶、物体以及其他设备可真实地体现和交互。Ｋ－??ＳＩＭ?ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ系列模拟器满足ＳＴＣＷ公约和ＤＮＶ?ＧＬ船级社对航海模拟器的??最新要求。视景系统的主要功能及特点有：??１）注重细节体现。ＳｅａＶｉｅｗＲ５利用细节层次（Ｌｅｖｅｌｏｆｄｅｔａｉｌ，ＬＯＤ）技术为航行、??船舶操纵等仿真训练提供更丰富的细节，如船舶的横倾和纵倾、拖轮停靠、锚链和??缆绳的运动等；??－４－??
【参考文献】

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本文编号：2865237