大规模海浪三维可视化研究

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1、学校代码10699分类号TP391.9密级学号2011100310题目大规模海浪三维可视化研究作者王顺利兵器科学与技术学科、专业康凤举指导教师2017年6月申请学位日期西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：大规模海浪三维可视化研究作者：王顺利学科专业：兵器科学与技术指导教师：康凤举2017年06月ResearchofLarge-ScaleOceanWaves3DVisualizationByWangShun-liUndertheSupervisionofProfessorKangFeng-juADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechn

2、icalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofArmamentScienceandTechnologyXi’anP.R.ChinaJune2017摘要摘要海洋开发和海上作战研究的需求推动着海浪三维可视化的不断发展，大规模海浪区包含深海浪、浅海浪等多种形式的海浪以及海浪与狭长海岸的交汇区，目前深海浪远近景过渡区、深海浪到浅海浪过渡区、海浪与海岸地形的交互可视化以及海浪网格投影画面像素的均匀性的研究尚不深入。论文结合总装预研基金项目“可组合自修正的海洋XX仿真可视化方法研究”和总装“十二五”预研

3、项目“虚拟XX环境建模、仿真与可视化平台”，对大规模海浪可视化中多种海浪的融合建模方法、海浪与海岸实时交互以及基于像素的大规模海浪网格生成等问题进行了研究，所做的主要工作和创新点如下：1）针对海浪可视化大规模化后产生的深海浪远近景细节表达不一致、深海浪到浅海浪的过渡区波浪变形等问题，在研究了海浪相关理论和海浪建模方法的基础上，提出了一种自适应的深海浪远近景和深浅海浪过渡区的融合建模方法。该方法利用非线性函数对深海浪远近景过渡区的随机波浪进行插值，实现了深海浪可视化效果的远近景细节的一致表达；通过考虑海深、海底地形等对海浪的影响，根据深浅海浪模型预估并修正过渡区的海浪顶点位置，实现了深海浪

4、到浅海浪的平滑过渡；为适应深海浪到浅海浪过渡区的融合，通过动态调整Fournier模型中长短轴的物理运动变化，得到了可模拟平静浅海浪到近岸卷浪等多种形式波浪的浅海浪模型。实验结果表明，该方法可以快速实现大规模深海浪远近景、深海浪到浅海浪的平滑过渡，提高了大规模海浪可视化的真实感。2）在海浪与大范围海岸的交互可视化中，为了解决海面与海岸交汇处存在的裂缝、穿越、波浪折射计算中的细节丢失以及实时交互可视化效果的立体感展示等问题，提出了由磁性顶点算法、动态波线跟踪算法和多层动态纹理映射技术组成的大规模海浪与海岸交互的可视化方法。该方法通过考虑海浪的波动性，设计了一种磁性顶点，动态获取海浪与海岸的

5、交汇点，实现了动态海岸线的生成；在计算波浪折射过程中，根据波线折射趋向动态生成新的波线，改进了波线跟踪算法，实现了波线跟踪算法模拟的波浪折射细节补偿；通过不同的动态纹理分别模拟海浪拍击海岸、海浪回流、地形上海水等效果，给出一种多层动态纹理映射的浪岸交互方法。实验结果表明，提出的海浪海岸交互可视化方法可以实现包括动态海岸线、波浪折射现象以及海浪海岸动态交互效果的近岸海浪场景，在满足实时性要求下提高了近岸海浪场景可视化的真实感。3）针对目前基于大规模地形的多分辨率海浪网格难以实现投影后合理的可视化画面细节分布，通过考虑人的视觉，以直观的画面像素为参数，提出了一种基于像素的大规模海浪多分辨率网

6、格生成方法。该方法通过计算投影后网格小块占用的画面像素值决定网格的细分程度，并对视域外的网格分块进行提前自动裁剪，实现了海浪网格投影后画面像素的均匀分布，增加了大规模海浪的细节表达能力，减少了渲染系统的工作量；构建了由不同细节层次的网格分块和边界网格组成的网格库，设计了基于索引技术的网I西北工业大学博士学位论文格拼接算法，实现了多细节层次网格的快速生成和拼接；在近岸区域设计了近岸海浪网格疏密自动调整算法，并对被海岸地形遮挡的网格进行裁剪，增加了卷浪、碎浪等小尺度波浪的细节表达，减少了冗余网格带来的渲染工作量。实验结果表明，提出的方法可以快速实现海浪网格的生成和拼接，提高了关键区域下多分辨

7、率海浪网格的细节表达能力。4）为了将所开发的可视化软件嵌入到不同的可视化应用系统中，提出了通用化的大规模海浪可视化软件设计、接口设计以及绘制流程；通过基于Shader的高度图编辑方法、基于视点的动态网格更新策略等大规模海浪绘制的优化，加速平台CUDA的嵌入以及动态光效和雾效等海面特效的加入，提高了场景绘制的实时性，增强了场景的真实感。为了验证海浪可视化方法的有效性，设计舰船接口，实现了舰船摇曳、舰艏浪的可视化；最后基于OSG渲染引擎