航海模拟器视景系统中使用波数谱的海浪绘制

发布时间：2017-09-09 21:26

  本文关键词：航海模拟器视景系统中使用波数谱的海浪绘制

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【摘要】：逼真的海浪绘制有助于提高航海模拟器视景系统的环境真实感。本文选择使用波数谱法作为航海模拟器视景系统的海浪绘制算法,对该算法进行了详细研究。Phillips谱是使用波数谱法常用的波数谱,但该谱的谱常数在相关文献中并未给出。分析了Phillips谱的结构,发现Phillips谱的频率谱与P-M谱接近,令P-M谱与Phillips谱具有相同的势能,计算出Phillips谱的谱常数,解决了实际应用中谱常数依据不足的问题。用Phillips谱进行绘制,绘制结果出现波幅畸变；用其他波数谱进行绘制,也出现波幅畸变。针对该问题,提出了波幅畸变的校正方法。使用波数谱法由Tessendorf提出。重新推导了使用波数谱法,得到的海面高程和Choppy波向量的傅里叶系数均包含波数谱和波数向量离散积分域面积。比较发现,Tessendor的傅里叶系数不包含波数向量离散积分域面积,这导致绘制结果出现波幅畸变。根据本文推导结果,对傅里叶系数进行修正,波幅畸变问题得到解决。osgOcean等开源程序使用了Tessendorf的算法,这些开源程序使用人为方法减小过大的振幅,这种人为方法虽有效但缺少理论依据。上述开源程序的海浪势能与本文方法的海浪势能接近,这印证了本文方法的有效性。采用以海面质点垂直方向加速度为判据的方法绘制白浪,在该方法中提出了一种连续型白浪覆盖率模型。给出了海面质点垂直方向加速度的快速傅里叶逆变换形式。该模型用海面质点垂直方向加速度计算白浪覆盖率,模型参数通过标准遗传算法确定,通过调整参数可控制白浪消逝的时间。该模型计算的白浪覆盖率的均值与使用统计模型计算的白浪覆盖率相等。将计算所得的白浪覆盖率作为融合因子融合海面像素颜色和白浪纹理颜色,实现白浪的实时绘制。绘制的白浪可以较准确的反映风对白浪的影响,与实拍照片接近,符合蒲式风级的描述。
【关键词】：航海模拟器视景 海浪绘制 波数谱 快速傅里叶逆变换 白浪
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U666.158
【目录】：

• 创新点摘要5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 航海模拟器概述11-14
• 1.2 航海模拟器的视景系统14-15
• 1.3 航海模拟器视景系统对海浪绘制的要求15-16
• 1.4 本课题的研究内容及意义16-18
• 1.5 本文各章节内容简介18-22
• 第2章 流体与海浪绘制综述及算法的选择22-35
• 2.1 基于计算流体力学模型的流体与海浪绘制22-27
• 2.1.1 基于Euler法的流体绘制22-24
• 2.1.2 基于Lagrange法的流体与海浪绘制24-27
• 2.2 基于Perlin噪声模型的海浪绘制27-28
• 2.3 基于视频数据的流体与海浪绘制28-29
• 2.4 基于Gerstner波模型的海浪绘制29-32
• 2.4.1 使用线性波模型法30
• 2.4.2 使用方向谱法30-31
• 2.4.3 使用波数谱法31-32
• 2.5 航海模拟器视景系统中海浪绘制算法的选择32-34
• 2.6 本章小结34-35
• 第3章 使用波数谱法绘制海浪35-71
• 3.1 频率谱,方向谱和波数谱35-41
• 3.1.1 频率谱,方向谱和波数谱的含义35-36
• 3.1.2 频率谱,方向谱和波数谱的关系36-37
• 3.1.3 常用的频率谱和方向分布函数37-41
• 3.2 使用波数谱的海浪绘制算法41-42
• 3.2.1 算法的提出41
• 3.2.2 算法存在的问题41-42
• 3.3 Phillips谱的谱常数计算42-45
• 3.3.1 Phillips谱的频率谱和方向分布函数42-43
• 3.3.2 Phillips谱的频率谱与P-M谱的比较43-45
• 3.4 绘制中的波幅畸变现象45-49
• 3.5 波幅畸变的校正49-59
• 3.5.1 快速傅里叶变换及逆变换49-54
• 3.5.2 使用波数谱的海浪绘制算法的完整推导54-58
• 3.5.3 用推导结果绘制海浪58-59
• 3.6 波幅畸变校正方法的比较研究59-68
• 3.6.1 与Tessendorf的使用波数谱的海浪绘制算法的比较60-62
• 3.6.2 与osgOcean等开源程序的比较62-67
• 3.6.3 与使用方向谱法的比较67-68
• 3.7 海浪谱参数对波形的影响68-70
• 3.8 本章小结70-71
• 第4章 白浪的实时绘制71-87
• 4.1 白浪绘制的相关工作71-75
• 4.2 以海面质点垂直方向加速度为判据的白浪绘制75-86
• 4.2.1 海面质点波陡的计算75-78
• 4.2.2 海面质点垂直方向加速度的计算78
• 4.2.3 白浪覆盖率的计算78-82
• 4.2.4 白浪绘制中连续型白浪覆盖率模型的应用82-86
• 4.2.5 海面像素的融合86
• 4.3 本章小结86-87
• 第5章 大尺度海浪的绘制87-106
• 5.1 航海模拟器视景系统中场景的组织结构87-88
• 5.2 海面网格的构造及海浪绘制的流程88-95
• 5.2.1 海面网格的构造88-91
• 5.2.3 海浪绘制的流程91-95
• 5.3 白浪的绘制结果95-98
• 5.4 白浪绘制结果的分析与比较98-104
• 5.4.1 白浪绘制结果与实拍海面和蒲式风级的比较98-100
• 5.4.2 白浪绘制结果与以往文献中绘制结果的比较100-103
• 5.4.3 海面白浪覆盖率与经验公式计算白浪覆盖率的比较103-104
• 5.5 本章小结104-106
• 第6章 结论与展望106-109
• 参考文献109-123
• 攻读学位期间公开发表论文123-124
• 致谢124-126
• 作者简介126

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