基于i4Ocean2.0的海洋仿真与三维流场可视化应用研究

发布时间：2017-06-04 20:09

  本文关键词：基于i4Ocean2.0的海洋仿真与三维流场可视化应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着“21世纪海上丝绸之路”规划和海洋强国战略的提出,海洋作为地球生命的起源和摇篮,是人类生存的重要依赖与可持续发展的重要空间,也是拉动国家科技、经济建设的重要引擎。面对激烈的海洋竞争,合理的开发利用海洋、系统科学的管理海洋成为重要议题。海洋资源开发管理、海洋生态环境保护、海洋灾害预警决策、海洋大气环境科学研究、海洋公益服务都需要海洋信息系统的支持。目前海洋信息化建设取得了明显的进展,但仍然面临一些问题,主要表现为：全球海洋虚拟仿真与可视化基础应用平台建设不够；对海洋数据存储、共享、处理和分析手段不能有效应用推广,数据处理与信息挖掘能力弱；针对海洋数据和海洋过程的分析应用和多维动态可视化表达能力薄弱等。正是这些问题的存在,导致目前的海洋信息平台不能很好地满足海洋科学研究、资源管理和预警决策的需要。围绕海洋虚拟仿真和海洋大气数据科学可视化需求,本文设计了基于图形化渲染加速和层级数据调度的虚拟现实与可视化平台,能够更好地支持海洋虚拟仿真与科学可视化综合分析应用。以海洋环境虚拟仿真和三维流场数据可视化为例,详细介绍了i40cean2.0架构对海洋应用的支持作用。针对海洋数据的时空特性,提出了海洋时空模型层级结构,可以同时支持有时空特性的海洋三维标量场数据和矢量场数据的可视化分析。为了更好地支持海洋作业仿真、海洋竞技仿真、海洋环境仿真等需求,本文设计了支持主流第三方建模软件制作的虚拟现实模型的存储结构,可以支持包括静态、动态模型的实时渲染和行为仿真,并提供地理信息数据的同步渲染。三维流场数据实时动态可视化是当前海洋数据分析与可视化的难点,本文分别针对海洋流场规则数据和不规则数据提出三维流线可视化生成和绘制方法。本文的创新性工作主要包括如下内容：(1)虚拟现实与可视化平台研发本文设计了一款海洋虚拟现实与可视化应用平台,提出并实践了一套在对海洋环境中海面、水体、生物、水中特效、海底模型、海底地形等各可见要素进行三维虚拟,对海洋流场、海面风场、海表面温度、海表面盐度等非可见的重要海洋信息进行多角度多方式动态可视化的原型系统。使用自主研发的基于GPU编程的渲染引擎来进行各种可视化效果的加速渲染,使用了规范的特效管理方法来管理各种可视化特效,从而有助于三维虚拟现实技术和可视化技术在海洋环境分析与科学研究中发挥更好的作用。基于球体地理信息框架,通过海洋时空数据层级组织和调度策略,建立了面向海洋时空和特征分析的多源、异构海洋信息、集成、共享与分析数字海洋平台,为海洋工作人员提供一个科学有效、便捷直观的三维虚拟环境和可视化分析与展示工具。(2)流场数据三维流线动态可视化在海洋可视化领域中,流场数据的三维动态可视化是一个研究难点。本文以SODA数据和POM模式数据为研究对象,分别对规则流场数据和不规则流场数据的三维流线可视化进行了研究。针对规则海洋流场数据,提出了基于粒子追踪和GPU加速的实时动态流线生成和绘制算法,解决了多维海洋时空数据的实时绘制难题；针对不规则海洋数据,提出一种基于四面体的三维流线生成技术,对该类数据的流线可视化提出一种解决方案。采用基于最大连通区域的种子点生成算法和龙格库塔积分算法,实现了多分辨率流线的动态绘制。为了提升可视化感知度,本文还设计了基于视点的流线外观自适应算法和透明度策略,并将海洋标量信息与矢量方向共同附着在流线上,实现海洋流场数据的定量时空透明表达。(3)虚拟海洋场景交互仿真在海洋虚拟现实仿真应用中,虚拟场景的实时性与逼真度是两个重要的需求。本文无缝融合了陆地景观与海洋场景,在保证较高渲染效率的同时实现了具有高逼真度的海洋场景及特效。采用场景树组织与基于块的内外存调度策略,结合GPU加速渲染技术,对虚拟海洋仿真过程中的海面网格建模、海浪波动、海面光学现象等多项虚拟仿真过程进行了交互设计,通过修改模型属性参数改变场景渲染特效,能广泛应用于各种海洋领域的虚拟交互仿真。
【关键词】：i40cean 海洋仿真 三维流线 数据可视化
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P71;TP391.9
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 绪论14-25
• 1.1 研究背景14-16
• 1.2 中内外研究现状16-21
• 1.2.1 三维数字软件平台16-18
• 1.2.2 海洋环境仿真18-19
• 1.2.3 流场数据可视化19-21
• 1.3 研究目标和意义21-22
• 1.4 论文组织结构22-25
• 2 i40cean2.0平台设计25-46
• 2.1 系统架构26-28
• 2.2 渲染引擎28-31
• 2.2.1 可编程特效30-31
• 2.3 平台适配器31-34
• 2.4 海洋时空数据结构34-40
• 2.4.1 数据切片与命名35-37
• 2.4.2 层级结构四叉树37-38
• 2.4.3 海洋数据解译38-39
• 2.4.4 数据请求流程39-40
• 2.5 场景管理40-44
• 2.5.1 平台节点树40-42
• 2.5.2 内外存数据调度42-44
• 2.6 本章小结44-46
• 3 海洋环境交互仿真46-65
• 3.1 仿真交互设计46-48
• 3.1.1 海面绘制流程46-47
• 3.1.2 仿真交互流程47-48
• 3.2 海面网格创建48-53
• 3.2.1 规则网格49-50
• 3.2.2 投影网格50-51
• 3.2.3 细分网格51-52
• 3.2.4 渲染结果对比52-53
• 3.3 海浪波动原理53-56
• 3.3.1 海浪波动实现方法对比53-54
• 3.3.2 基于噪声图的波动实现54-56
• 3.4 海洋光学现象56-62
• 3.4.1 海面反射现象57
• 3.4.2 海面折射现象57-58
• 3.4.3 菲涅尔现象58
• 3.4.4 海洋深度信息58-59
• 3.4.5 倒影扭曲现象59-60
• 3.4.6 虚拟天空60-61
• 3.4.7 水下焦散和气泡61-62
• 3.5 实验结果分析62-64
• 3.6 本章小结64-65
• 4 海洋流场数据可视化65-96
• 4.1 流场数据特点66-67
• 4.2 种子点放置方法67-70
• 4.3 规则流场数据动态三维流线可视化70-79
• 4.3.1 粒子追踪70-72
• 4.3.2 粒子密度控制72-73
• 4.3.3 流线生成73-76
• 4.3.4 实现过程76-78
• 4.3.5 实验结果分析78-79
• 4.4 不规则流场数据动态三维流线可视化79-89
• 4.4.1 不规则流场数据预处理80-81
• 4.4.2 最大连通量的种子点算法81-83
• 4.4.3 流线积分83-84
• 4.4.4 感知度优化策略84-87
• 4.4.5 实验结果分析87-89
• 4.5 可视化与地理信息一体化表达89-94
• 4.5.1 空间坐标变换89-91
• 4.5.2 GPU上算法的实现91-93
• 4.5.3 实验结果分析93-94
• 4.6 本章小结94-96
• 5 应用实例96-111
• 5.1 海上帆船竞技仿真96-105
• 5.1.1 激光级帆船结构96-97
• 5.1.2 帆船受力分析97-99
• 5.1.3 帆船阻力分析99-101
• 5.1.4 船速计算与仿真101-105
• 5.2 海底鱼群仿真105-110
• 5.2.1 基于透明度的分离力计算107
• 5.2.2 基于MipMap的聚集力和并列力计算107-108
• 5.2.3 基于“Ping-Pong”技术的位置、速度、朝向计算108
• 5.2.4 骨骼动画内外机制108
• 5.2.5 仿真结果108-110
• 5.3 本章小结110-111
• 6 总结与展望111-114
• 6.1 论文总结111-112
• 6.2 未来展望112-114
• 参考文献114-123
• 代码附录123-136
• 附录一 海浪高度图生成cgfx代码123-125
• 附录二 海浪纹理生成cgfx代码125-126
• 附录三 流线自适应生成GLSL代码126-129
• 附录四 地形绘制cgfx代码129-134
• 附录五 英文缩写参照表134-136
• 致谢136-137
• 个人简历137
• 学术论文137-138
• 发明专利138
• 参与项目138
• 学术交流138
• 获奖情况138

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