探索航海模拟器中基于gpu的海洋场景真实感绘制

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1、大连海事大学博士学位论文航海模拟器中基于GPU的海洋场景真实感绘制姓名：任鸿翔申请学位级别：博士专业：交通信息工程及控制指导教师：金一丞20090301中文摘要摘要随着高性能微机的持续更新换代、GPU可编程能力的大幅度提高以及计算机图形技术的飞速发展，用户对航海模拟器的功能及虚拟环境提出了更高的要求。为了提高航海模拟器视景系统的实时性和真实感，本文对GPU技术、海浪真实感绘制算法、海上溢油三维可视化算法等进行了研究，所做的工作主要包括：1．基于GPU开发仿真系统中的三维场景已逐渐成为计算机图形学领域关注的热点。本文对

2、GPU的关键技术、高级绘制语言进行了阐述，对GPU编程的优势、特点进行了分析，对GPU在计算机图形学领域中的应用进行了综述。2．科学、实时、逼真地绘制海浪对航海模拟器视景系统十分重要。本文在分析现有波浪理论的基础上，针对航海模拟器的实际需求，采用基于统计和谱的方法，利用GPU技术对海浪的绘制算法进行研究，提出了一套完整的大规模海浪场景真实感绘制算法。首先给出同心圆网格模型构建海浪表面，更合理地实现了LOD，保证了海浪绘制的实时性；采用基于GPU的FFT方法生成符合Phillips谱的海浪高度图；利用顶点纹理获取技术采

3、样多次平铺的高度图，得到网格顶点的高度，用网格构建出了海浪的几何形状；而后模拟了Choppy波，减轻了磁砖效应，实现了海浪与船舶的相对运动；最后模拟了海面的反射效果、折射效果以及海浪中的浪花效果。3．海上溢油三维可视化尚未见比较好的实现方法。本文对海上溢油可视化的相关理论和技术进行了分析，在海浪真实感绘制算法的基础上，提出了实现海上溢油三维可视化的方法。首先将较短时间尺度内的点源瞬时溢油过程分为油膜自身扩展和油膜漂移扩散两个阶段，分别选取椭圆模型和油粒子模型计算各阶段的溢油轨迹：采用粒子系统方法实现油粒子模型；利用平

4、面折射技术将轨迹模拟结果转化为溢油发展变化的纹理图，再在GPU的片元着色器中通过投影纹理坐标访问该纹理，从而模拟和再现了海上溢油的三维场景。中文摘要4。场景数据库建模和管理的好坏直接关系到场景数据库的绘制效率。本文通过对场景数据库的树形层次结构及绘制过程的分析，提出了采用空间和逻辑相结合的结构组织数据库，同时对场景数据库中节点的尺寸和数量、LOD的结构、状态改变等技术做了详细讨论，这些技术有助于提高场景数据库的绘制效率。本文选用OSG作为航海模拟器视景系统的管理平台，对OSG的场景图进行了重点分析，并利用场景图的强大

5、功能来管理和显示航海模拟器的场景。关键词：航海模拟器；图形处理器；海浪；海上溢油；场景数据库英文摘要RealisticSceneRenderingofOceanBasedonGPUinMarineSimulatorAbstractWitllthecontinuousupdatingofhighperformancecomputer,thegreatimprovementofGPUprogrammabilityandtherapiddevelopmentofthecompmergraphicstechnology,us

6、ershavehigherrequirementsonsimulationfunctionandit’Svirtualoperatingenvironmentofmarinesimulator．Toimprovethereal—timecapabilityandrealismofvisualsyStern，thedissertationmainlystudiesGPUtechnology，realisticrenderingofoceanwaveand3Dvisualizationofmarineoilspill．T

7、hemainlycontributionsofthisdissertationare：1．Developing3DvisualsystemforsimulationsystembasedonGPUhasgraduallybecomeafocusincomputergraphics．Inthedissertation，thekeytechnologiesandhi曲一levelrenderinglanguagesofGPUarediscussed，theadvantagesandfeaturesofGPUprogram

8、aleanalyzed，andtheapplicationsofGPUincomputergraphicsarereviewed．2．Torenderoceanwavescientifically,rapidlyandrealisticallyisanimportantaspectinmarinesimulator．Accordingtothe