河流視景的環(huán)境真實(shí)感是評價(jià)內(nèi)河船舶操縱模擬器的重要指標(biāo)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(xùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了真實(shí)感較高的大尺度河流視景實(shí)時(shí)繪制。內(nèi)河船舶操縱模擬器河流視景中河流的仿真重點(diǎn)關(guān)注兩方面:一是河流運(yùn)動(dòng)建模;二是河流的實(shí)時(shí)繪制。其中河流運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)建模主要基于波浪譜方法,不能體現(xiàn)河流的流動(dòng)性,而流動(dòng)性也是河水區(qū)別于海水的主要特性之一,因此在進(jìn)行內(nèi)河船舶操縱模擬器河流仿真時(shí),首要問題是建立河流的運(yùn)動(dòng)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(dòng)性。河流的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)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(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)性要求。針對以上考慮因素,首先在河流運(yùn)動(dòng)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(jì)算量小,可逼真地體現(xiàn)河流流動(dòng)性的特點(diǎn)。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(diǎn)的流函數(shù)進(jìn)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(fù)雜河道地形對模型進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),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(fù)雜河道地形,且求解的速度場可較真實(shí)地體現(xiàn)河流流動(dòng)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(shí)時(shí)繪制方面,本文提出基于紋理塊實(shí)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(diǎn)快速生成算法,在河道內(nèi)生成采樣點(diǎn),并通過該采樣點(diǎn)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(dòng)紋理塊。該方法可生成連續(xù)運(yùn)動(dòng)的河流表面,從而真實(shí)地體現(xiàn)求解的河流速度場。同時(shí),為實(shí)現(xiàn)內(nèi)河船舶操縱模擬器中大尺度河流視景的實(shí)時(shí)繪制,本文基于求解的速度場改進(jìn)了TDF算法,并利用GPU、GLSL著色器編程結(jié)合LOD技術(shù)實(shí)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(shí)時(shí)渲染,采用立方體映射和平面反射方法實(shí)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(shí)感強(qiáng),且滿足仿真的實(shí)時(shí)性要求。本文解決了內(nèi)河船舶操縱模擬器中河流的運(yùn)動(dòng)建模這一研究難點(diǎn)以及大尺度河流場景的實(shí)時(shí)繪制問題,研究成果適用于多種復(fù)雜河道,可逼真地體現(xiàn)河流的運(yùn)動(dòng)特性,并能實(shí)時(shí)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(shí)感,給操作人員提供高真實(shí)感的仿真環(huán)境。
【學(xué)位單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U666.158
【部分圖文】：

速公路、鐵路的同時(shí)，十分重視內(nèi)河航運(yùn)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(dá)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(dá)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(yùn)的快速發(fā)展，提升內(nèi)河航運(yùn)在運(yùn)輸體系中的作用�！笆濉币�??來，交通運(yùn)輸部先后制定了一批內(nèi)河運(yùn)輸發(fā)展政策［６，７］。尤其是進(jìn)入“十三五”以??來，交通運(yùn)輸部提出綜合交通運(yùn)輸發(fā)展的總體目標(biāo)：加快推進(jìn)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(yùn)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(yùn)輸中充當(dāng)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(wù)精干的內(nèi)河船員隊(duì)伍將直接影響內(nèi)河航運(yùn)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(xùn)考試和評估大綱”中對強(qiáng)制性和非強(qiáng)制??性模擬器訓(xùn)練提出了要求，這都為利用內(nèi)河船舶操縱模擬器進(jìn)行內(nèi)河船員實(shí)操培??訓(xùn)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(gè)單元??通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行通信，不僅可提供內(nèi)河船員的考試與培訓(xùn)、港航設(shè)計(jì)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(shí)地再現(xiàn)遇險(xiǎn)船舶及人員的通信、??指揮、搜救等行動(dòng)。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(gè)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(shí)??感、環(huán)境真實(shí)感和物理真實(shí)感三方面來評價(jià)。其中，行為真實(shí)感和物理真實(shí)感可基??于船舶操縱模擬器改進(jìn)和提升達(dá)到研發(fā)的要求，而現(xiàn)有的基于波浪譜方法實(shí)現(xiàn)的??河流視景系統(tǒng)不足以真實(shí)地體現(xiàn)環(huán)境真實(shí)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(yīng)將來更局級和綜合的航海仿真培訓(xùn)，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(jìn)行擴(kuò)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(dòng)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(xùn)）。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(jìn)的水動(dòng)力建模技術(shù)為特色，船舶、物體以及其他設(shè)備可真實(shí)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(diǎn)有：??１）注重細(xì)節(jié)體現(xiàn)。ＳｅａＶｉｅｗＲ５利用細(xì)節(jié)層次（Ｌｅｖｅｌｏｆｄｅｔａｉｌ，ＬＯＤ）技術(shù)為航行、??船舶操縱等仿真訓(xùn)練提供更豐富的細(xì)節(jié)，如船舶的橫傾和縱傾、拖輪�？�、錨鏈和??纜繩的運(yùn)動(dòng)等；??－４－??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2865237