發(fā)布時間：2020-11-01 07:48

　　 河流視景的環(huán)境真實感是評價內(nèi)河船舶操縱模擬器的重要指標之一,逼真的河流仿真環(huán)境是使用模擬器提高內(nèi)河船員訓練質(zhì)量的重要保障。因此,本文面向內(nèi)河船舶操縱模擬器中河流視景真實感提升的迫切需求,研究河流建模的理論和方法,構(gòu)建了河流速度場求解模型并實現(xiàn)了真實感較高的大尺度河流視景實時繪制。內(nèi)河船舶操縱模擬器河流視景中河流的仿真重點關(guān)注兩方面:一是河流運動建模;二是河流的實時繪制。其中河流運動建模是河流仿真的關(guān)鍵前提,目前內(nèi)河船舶操縱模擬器中河流運動建模主要基于波浪譜方法,不能體現(xiàn)河流的流動性,而流動性也是河水區(qū)別于海水的主要特性之一,因此在進行內(nèi)河船舶操縱模擬器河流仿真時,首要問題是建立河流的運動模型。之后在河流表面繪制階段,需生成連續(xù)的河流表面,體現(xiàn)河流的流動性。河流的運動將導致表面紋理變形,從而使河流表面繪制失真。因此,需要解決河流運動與表面紋理屬性保持的矛盾問題,并考慮河流場景繪制的實時性要求。針對以上考慮因素,首先在河流運動建模方面,本文提出基于過程法構(gòu)建河流速度場。主要是基于流函數(shù)求解河流速度場,該方法具有計算量小,可逼真地體現(xiàn)河流流動性的特點。該方法的核心思想是通過反距離加權(quán)法構(gòu)建了河道內(nèi)各點的流函數(shù)進而求解河流速度場。最后,利用內(nèi)河船舶操縱模擬器中的單河道地形、分支河道地形以及具有固定障礙物的復雜河道地形對模型進行了仿真實驗,仿真結(jié)果表明本文構(gòu)建的河流速度場求解模型能適用于多種復雜河道地形,且求解的速度場可較真實地體現(xiàn)河流流動特性,符合河流速度場與河道寬度的耦合關(guān)系。其次在河流的實時繪制方面,本文提出基于紋理塊實現(xiàn)河流表面的紋理映射。為平衡顯示效果和仿真效率,提出基于河道岸界控制的泊松盤采樣點快速生成算法,在河道內(nèi)生成采樣點,并通過該采樣點控制河流表面的紋理分布,之后利用求解的河流速度場驅(qū)動紋理塊。該方法可生成連續(xù)運動的河流表面,從而真實地體現(xiàn)求解的河流速度場。同時,為實現(xiàn)內(nèi)河船舶操縱模擬器中大尺度河流視景的實時繪制,本文基于求解的速度場改進了TDF算法,并利用GPU、GLSL著色器編程結(jié)合LOD技術(shù)實現(xiàn)了包括河流、地形場景及岸上大量的建筑物場景在內(nèi)的大尺度河流視景的實時渲染,采用立方體映射和平面反射方法實現(xiàn)了河水表面的反射效果。仿真結(jié)果表明本文構(gòu)建的河流視景環(huán)境真實感強,且滿足仿真的實時性要求。本文解決了內(nèi)河船舶操縱模擬器中河流的運動建模這一研究難點以及大尺度河流場景的實時繪制問題,研究成果適用于多種復雜河道,可逼真地體現(xiàn)河流的運動特性,并能實時渲染大尺度河流視景,有效地提升內(nèi)河船舶操縱模擬器的仿真環(huán)境真實感,給操作人員提供高真實感的仿真環(huán)境。
【學位單位】：大連海事大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：U666.158
【部分圖文】：

速公路、鐵路的同時，十分重視內(nèi)河航運的戰(zhàn)略地位和規(guī)劃泊理，并且通過國際組??織的協(xié)調(diào)，形成四通八達的航道網(wǎng)［３，４］。目前我國有大小天然河流５８００多條，總長??４０多萬公里。截至２０１６年末，全國內(nèi)河航道通航里程達到１２．７１萬公里［５］，圖１所示??為全國各級內(nèi)河航道分布情況。??為加快內(nèi)河航運的快速發(fā)展，提升內(nèi)河航運在運輸體系中的作用�！笆�五”以??來，交通運輸部先后制定了一批內(nèi)河運輸發(fā)展政策［６，７］。尤其是進入“十三五”以??來，交通運輸部提出綜合交通運輸發(fā)展的總體目標：加快推進綜合交通、智慧交通、??綠色交通、平安交通建設(shè)，加快完善綜合交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，到２０２０年基本建成安??全便捷、暢通高效、綠色智能的現(xiàn)代綜合交通運輸體系。內(nèi)河船員是船舶的直接操??縱和控制者，在內(nèi)河交通運輸中充當著一種紐帶和核心作用［８］。因此，建設(shè)一支結(jié)??構(gòu)合理、素質(zhì)優(yōu)良、業(yè)務精干的內(nèi)河船員隊伍將直接影響內(nèi)河航運的健康有序發(fā)展。??一級一級＝級??１．０６〇／〇２．９０〇／〇－＾??七

和評估大綱》以及“有關(guān)專業(yè)和特殊培訓考試和評估大綱”中對強制性和非強制??性模擬器訓練提出了要求，這都為利用內(nèi)河船舶操縱模擬器進行內(nèi)河船員實操培??訓和考試提供了依據(jù)。圖１．２是內(nèi)河船舶操縱模擬器系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)中的各個單元??通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行通信，不僅可提供內(nèi)河船員的考試與培訓、港航設(shè)計方案論證、??還可逼真地模擬內(nèi)河航道內(nèi)的海事事故場景，真實地再現(xiàn)遇險船舶及人員的通信、??指揮、搜救等行動。其中本船單元為其主要部分，通常由配備３６０度水平視場角視??景系統(tǒng)的主本船以及兩個配備１８０度水平視場角視景系統(tǒng)的副本船組成。??作為船舶操縱模擬器的一種，內(nèi)河船舶操縱模擬器的優(yōu)劣主要可從行為真實??感、環(huán)境真實感和物理真實感三方面來評價。其中，行為真實感和物理真實感可基??于船舶操縱模擬器改進和提升達到研發(fā)的要求，而現(xiàn)有的基于波浪譜方法實現(xiàn)的??河流視景系統(tǒng)不足以真實地體現(xiàn)環(huán)境真實感。由于河流占據(jù)視景系統(tǒng)一半以上的??－２－??

Ｆｉｇ．?１．３?Ｋ－ＳＩＭ?ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ?ｍａｒｉｎｅ?ｓｉｍｕｌａｔｏｒ??２０１４年１１月，Ｋｏｎｇｓｂｅｒｇ公司為適應將來更局級和綜合的航海仿真培訓，推出??新一代船橋模擬器，被命名為Ｋ－ＳＩＭＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ［１６，１７］，如圖１．３所示。該船橋模??擬器在原有第六代船橋模擬器Ｐｏｌａｒｉｓ系列基礎(chǔ)上開發(fā)，功能更加健全、性能更加穩(wěn)??定。Ｋ－ＳＩＭＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ可根據(jù)用戶需求方便地進行擴展，如增加額外的設(shè)備、工??作站和完整的集成船橋系統(tǒng)（錨操縱模擬器、動態(tài)定位模擬器等特殊功能模擬器以??及冰區(qū)航行、反海盜和ＳＡＲ培訓）。Ｋ－ＳＩＭＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ視景系統(tǒng)采用Ｋｏｎｇｓｂｅｒｇ開??發(fā)的第七代視景系統(tǒng)ＳｅａＶｉｅｗＲ５，該系統(tǒng)基于ＯｐｅｎＳｃｅｎｅＧｍｐｈ（ＯＳＧ）三維圖形引擎??開發(fā)，以Ｍｕｌｔｉｇｅｎ?Ｃｒｅａｔｏｒ作為建模軟件。Ｋ－ＳＩＭＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ以高級的物理引擎和??先進的水動力建模技術(shù)為特色，船舶、物體以及其他設(shè)備可真實地體現(xiàn)和交互。Ｋ－??ＳＩＭ?ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ系列模擬器滿足ＳＴＣＷ公約和ＤＮＶ?ＧＬ船級社對航海模擬器的??最新要求。視景系統(tǒng)的主要功能及特點有：??１）注重細節(jié)體現(xiàn)。ＳｅａＶｉｅｗＲ５利用細節(jié)層次（Ｌｅｖｅｌｏｆｄｅｔａｉｌ，ＬＯＤ）技術(shù)為航行、??船舶操縱等仿真訓練提供更豐富的細節(jié)，如船舶的橫傾和縱傾、拖輪�？�、錨鏈和??纜繩的運動等；??－４－??
【參考文獻】

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本文編號：2865237