本文關(guān)鍵詞：基于i4Ocean2.0的海洋仿真與三維流場可視化應(yīng)用研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著“21世紀(jì)海上絲綢之路”規(guī)劃和海洋強國戰(zhàn)略的提出,海洋作為地球生命的起源和搖籃,是人類生存的重要依賴與可持續(xù)發(fā)展的重要空間,也是拉動國家科技、經(jīng)濟建設(shè)的重要引擎。面對激烈的海洋競爭,合理的開發(fā)利用海洋、系統(tǒng)科學(xué)的管理海洋成為重要議題。海洋資源開發(fā)管理、海洋生態(tài)環(huán)境保護、海洋災(zāi)害預(yù)警決策、海洋大氣環(huán)境科學(xué)研究、海洋公益服務(wù)都需要海洋信息系統(tǒng)的支持。目前海洋信息化建設(shè)取得了明顯的進展,但仍然面臨一些問題,主要表現(xiàn)為：全球海洋虛擬仿真與可視化基礎(chǔ)應(yīng)用平臺建設(shè)不夠；對海洋數(shù)據(jù)存儲、共享、處理和分析手段不能有效應(yīng)用推廣,數(shù)據(jù)處理與信息挖掘能力弱；針對海洋數(shù)據(jù)和海洋過程的分析應(yīng)用和多維動態(tài)可視化表達(dá)能力薄弱等。正是這些問題的存在,導(dǎo)致目前的海洋信息平臺不能很好地滿足海洋科學(xué)研究、資源管理和預(yù)警決策的需要。圍繞海洋虛擬仿真和海洋大氣數(shù)據(jù)科學(xué)可視化需求,本文設(shè)計了基于圖形化渲染加速和層級數(shù)據(jù)調(diào)度的虛擬現(xiàn)實與可視化平臺,能夠更好地支持海洋虛擬仿真與科學(xué)可視化綜合分析應(yīng)用。以海洋環(huán)境虛擬仿真和三維流場數(shù)據(jù)可視化為例,詳細(xì)介紹了i40cean2.0架構(gòu)對海洋應(yīng)用的支持作用。針對海洋數(shù)據(jù)的時空特性,提出了海洋時空模型層級結(jié)構(gòu),可以同時支持有時空特性的海洋三維標(biāo)量場數(shù)據(jù)和矢量場數(shù)據(jù)的可視化分析。為了更好地支持海洋作業(yè)仿真、海洋競技仿真、海洋環(huán)境仿真等需求,本文設(shè)計了支持主流第三方建模軟件制作的虛擬現(xiàn)實模型的存儲結(jié)構(gòu),可以支持包括靜態(tài)、動態(tài)模型的實時渲染和行為仿真,并提供地理信息數(shù)據(jù)的同步渲染。三維流場數(shù)據(jù)實時動態(tài)可視化是當(dāng)前海洋數(shù)據(jù)分析與可視化的難點,本文分別針對海洋流場規(guī)則數(shù)據(jù)和不規(guī)則數(shù)據(jù)提出三維流線可視化生成和繪制方法。本文的創(chuàng)新性工作主要包括如下內(nèi)容：(1)虛擬現(xiàn)實與可視化平臺研發(fā)本文設(shè)計了一款海洋虛擬現(xiàn)實與可視化應(yīng)用平臺,提出并實踐了一套在對海洋環(huán)境中海面、水體、生物、水中特效、海底模型、海底地形等各可見要素進行三維虛擬,對海洋流場、海面風(fēng)場、海表面溫度、海表面鹽度等非可見的重要海洋信息進行多角度多方式動態(tài)可視化的原型系統(tǒng)。使用自主研發(fā)的基于GPU編程的渲染引擎來進行各種可視化效果的加速渲染,使用了規(guī)范的特效管理方法來管理各種可視化特效,從而有助于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)和可視化技術(shù)在海洋環(huán)境分析與科學(xué)研究中發(fā)揮更好的作用。基于球體地理信息框架,通過海洋時空數(shù)據(jù)層級組織和調(diào)度策略,建立了面向海洋時空和特征分析的多源、異構(gòu)海洋信息、集成、共享與分析數(shù)字海洋平臺,為海洋工作人員提供一個科學(xué)有效、便捷直觀的三維虛擬環(huán)境和可視化分析與展示工具。(2)流場數(shù)據(jù)三維流線動態(tài)可視化在海洋可視化領(lǐng)域中,流場數(shù)據(jù)的三維動態(tài)可視化是一個研究難點。本文以SODA數(shù)據(jù)和POM模式數(shù)據(jù)為研究對象,分別對規(guī)則流場數(shù)據(jù)和不規(guī)則流場數(shù)據(jù)的三維流線可視化進行了研究。針對規(guī)則海洋流場數(shù)據(jù),提出了基于粒子追蹤和GPU加速的實時動態(tài)流線生成和繪制算法,解決了多維海洋時空數(shù)據(jù)的實時繪制難題；針對不規(guī)則海洋數(shù)據(jù),提出一種基于四面體的三維流線生成技術(shù),對該類數(shù)據(jù)的流線可視化提出一種解決方案。采用基于最大連通區(qū)域的種子點生成算法和龍格庫塔積分算法,實現(xiàn)了多分辨率流線的動態(tài)繪制。為了提升可視化感知度,本文還設(shè)計了基于視點的流線外觀自適應(yīng)算法和透明度策略,并將海洋標(biāo)量信息與矢量方向共同附著在流線上,實現(xiàn)海洋流場數(shù)據(jù)的定量時空透明表達(dá)。(3)虛擬海洋場景交互仿真在海洋虛擬現(xiàn)實仿真應(yīng)用中,虛擬場景的實時性與逼真度是兩個重要的需求。本文無縫融合了陸地景觀與海洋場景,在保證較高渲染效率的同時實現(xiàn)了具有高逼真度的海洋場景及特效。采用場景樹組織與基于塊的內(nèi)外存調(diào)度策略,結(jié)合GPU加速渲染技術(shù),對虛擬海洋仿真過程中的海面網(wǎng)格建模、海浪波動、海面光學(xué)現(xiàn)象等多項虛擬仿真過程進行了交互設(shè)計,通過修改模型屬性參數(shù)改變場景渲染特效,能廣泛應(yīng)用于各種海洋領(lǐng)域的虛擬交互仿真。
【關(guān)鍵詞】：i40cean 海洋仿真 三維流線 數(shù)據(jù)可視化
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P71;TP391.9
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 緒論14-25
• 1.1 研究背景14-16
• 1.2 中內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-21
• 1.2.1 三維數(shù)字軟件平臺16-18
• 1.2.2 海洋環(huán)境仿真18-19
• 1.2.3 流場數(shù)據(jù)可視化19-21
• 1.3 研究目標(biāo)和意義21-22
• 1.4 論文組織結(jié)構(gòu)22-25
• 2 i40cean2.0平臺設(shè)計25-46
• 2.1 系統(tǒng)架構(gòu)26-28
• 2.2 渲染引擎28-31
• 2.2.1 可編程特效30-31
• 2.3 平臺適配器31-34
• 2.4 海洋時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)34-40
• 2.4.1 數(shù)據(jù)切片與命名35-37
• 2.4.2 層級結(jié)構(gòu)四叉樹37-38
• 2.4.3 海洋數(shù)據(jù)解譯38-39
• 2.4.4 數(shù)據(jù)請求流程39-40
• 2.5 場景管理40-44
• 2.5.1 平臺節(jié)點樹40-42
• 2.5.2 內(nèi)外存數(shù)據(jù)調(diào)度42-44
• 2.6 本章小結(jié)44-46
• 3 海洋環(huán)境交互仿真46-65
• 3.1 仿真交互設(shè)計46-48
• 3.1.1 海面繪制流程46-47
• 3.1.2 仿真交互流程47-48
• 3.2 海面網(wǎng)格創(chuàng)建48-53
• 3.2.1 規(guī)則網(wǎng)格49-50
• 3.2.2 投影網(wǎng)格50-51
• 3.2.3 細(xì)分網(wǎng)格51-52
• 3.2.4 渲染結(jié)果對比52-53
• 3.3 海浪波動原理53-56
• 3.3.1 海浪波動實現(xiàn)方法對比53-54
• 3.3.2 基于噪聲圖的波動實現(xiàn)54-56
• 3.4 海洋光學(xué)現(xiàn)象56-62
• 3.4.1 海面反射現(xiàn)象57
• 3.4.2 海面折射現(xiàn)象57-58
• 3.4.3 菲涅爾現(xiàn)象58
• 3.4.4 海洋深度信息58-59
• 3.4.5 倒影扭曲現(xiàn)象59-60
• 3.4.6 虛擬天空60-61
• 3.4.7 水下焦散和氣泡61-62
• 3.5 實驗結(jié)果分析62-64
• 3.6 本章小結(jié)64-65
• 4 海洋流場數(shù)據(jù)可視化65-96
• 4.1 流場數(shù)據(jù)特點66-67
• 4.2 種子點放置方法67-70
• 4.3 規(guī)則流場數(shù)據(jù)動態(tài)三維流線可視化70-79
• 4.3.1 粒子追蹤70-72
• 4.3.2 粒子密度控制72-73
• 4.3.3 流線生成73-76
• 4.3.4 實現(xiàn)過程76-78
• 4.3.5 實驗結(jié)果分析78-79
• 4.4 不規(guī)則流場數(shù)據(jù)動態(tài)三維流線可視化79-89
• 4.4.1 不規(guī)則流場數(shù)據(jù)預(yù)處理80-81
• 4.4.2 最大連通量的種子點算法81-83
• 4.4.3 流線積分83-84
• 4.4.4 感知度優(yōu)化策略84-87
• 4.4.5 實驗結(jié)果分析87-89
• 4.5 可視化與地理信息一體化表達(dá)89-94
• 4.5.1 空間坐標(biāo)變換89-91
• 4.5.2 GPU上算法的實現(xiàn)91-93
• 4.5.3 實驗結(jié)果分析93-94
• 4.6 本章小結(jié)94-96
• 5 應(yīng)用實例96-111
• 5.1 海上帆船競技仿真96-105
• 5.1.1 激光級帆船結(jié)構(gòu)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 船速計算與仿真101-105
• 5.2 海底魚群仿真105-110
• 5.2.1 基于透明度的分離力計算107
• 5.2.2 基于MipMap的聚集力和并列力計算107-108
• 5.2.3 基于“Ping-Pong”技術(shù)的位置、速度、朝向計算108
• 5.2.4 骨骼動畫內(nèi)外機制108
• 5.2.5 仿真結(jié)果108-110
• 5.3 本章小結(jié)110-111
• 6 總結(jié)與展望111-114
• 6.1 論文總結(jié)111-112
• 6.2 未來展望112-114
• 參考文獻(xiàn)114-123
• 代碼附錄123-136
• 附錄一 海浪高度圖生成cgfx代碼123-125
• 附錄二 海浪紋理生成cgfx代碼125-126
• 附錄三 流線自適應(yīng)生成GLSL代碼126-129
• 附錄四 地形繪制cgfx代碼129-134
• 附錄五 英文縮寫參照表134-136
• 致謝136-137
• 個人簡歷137
• 學(xué)術(shù)論文137-138
• 發(fā)明專利138
• 參與項目138
• 學(xué)術(shù)交流138
• 獲獎情況138

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  本文關(guān)鍵詞：基于i4Ocean2.0的海洋仿真與三維流場可視化應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：422001