內(nèi)河船舶模擬器中河流的繪制方法綜述

翟小明, 尹 勇, 神和龍， 肖方兵

(大連海事大學(xué) 航海動(dòng)態(tài)仿真與控制實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116026)

內(nèi)河船舶模擬器中河流的繪制方法綜述

翟小明, 尹 勇, 神和龍， 肖方兵

(大連海事大學(xué) 航海動(dòng)態(tài)仿真與控制實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116026)

河流視景對(duì)提高內(nèi)河船舶操縱模擬器中整個(gè)視景的逼真度有重要作用，而河流等流體的流動(dòng)特性和自身復(fù)雜的物理特征一直是其可視化的難點(diǎn)。因此，綜述國(guó)內(nèi)外內(nèi)河船舶模擬器的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合其需求查閱河流虛擬仿真建模方法方面的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)，指出相關(guān)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)河流可視化方面需要研究的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)。針對(duì)內(nèi)河船舶操縱模擬器中河流視景的需求，探究適合的仿真建模方法，為進(jìn)一步深入研究提供理論基礎(chǔ)。

水路運(yùn)輸； 模擬器； 河流； 繪制； 綜述

隨著內(nèi)河航運(yùn)快速發(fā)展，建立一支高素質(zhì)內(nèi)河船員隊(duì)伍已成為水運(yùn)發(fā)展的迫切需求?，F(xiàn)有內(nèi)河船員隊(duì)伍的考核大多在實(shí)船上進(jìn)行，存在高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、長(zhǎng)周期等缺陷。為確保內(nèi)河船員隊(duì)伍的質(zhì)量，交通運(yùn)輸部海事局2007年下發(fā)了《中華人民共和國(guó)內(nèi)河船舶船員實(shí)際操作考試辦法》，其中第二十一條規(guī)定“經(jīng)主管機(jī)關(guān)認(rèn)可，考試發(fā)證機(jī)關(guān)可采用模擬器開(kāi)展實(shí)際操作考試”，為利用船舶操縱模擬器進(jìn)行船員實(shí)操培訓(xùn)和考試提供了依據(jù)。河流視景作為內(nèi)河船舶操縱模擬器的組成部分之一，可明顯提升整個(gè)視景的真實(shí)感。然而，現(xiàn)有的內(nèi)河船舶操縱模擬器中的河流仍基于海洋視景中海水的生成方法建模與繪制，不能真實(shí)體現(xiàn)其特性。為真實(shí)地模擬河流，需整合多尺度的表面細(xì)節(jié)及河流的流動(dòng)現(xiàn)象。因此，結(jié)合內(nèi)河船舶模擬器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)流體建模與繪制的方法，探究適用內(nèi)河船舶模擬器中河流建模與仿真的方法。

1 內(nèi)河船舶模擬器的研究現(xiàn)狀

國(guó)際海事組織曾在相關(guān)公約中多次強(qiáng)調(diào)船舶模擬器的作用，并就其在航海訓(xùn)練中的應(yīng)用做出了明確的強(qiáng)制性與建議性規(guī)定。[1-2]為此,我國(guó)交通運(yùn)輸部海事局在2007年下發(fā)的《中華人民共和國(guó)內(nèi)河船舶船員實(shí)際操作考試辦法》中就使用內(nèi)河模擬器訓(xùn)練提出了要求，以促進(jìn)內(nèi)河船舶模擬器的研發(fā)。內(nèi)河船舶模擬器是船舶操縱模擬器的一種，其特有的特點(diǎn)是內(nèi)河船舶模型以及內(nèi)河河流視景。因此，內(nèi)河船舶模擬器的研發(fā)可在航海模擬器的基礎(chǔ)上進(jìn)行，重點(diǎn)是內(nèi)河典型的船舶數(shù)學(xué)模型的研究以及河流流體的仿真。

以計(jì)算機(jī)為核心的現(xiàn)代航海模擬器自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于教學(xué)培訓(xùn)、工程論證、科學(xué)研究等領(lǐng)域，在提高海員的綜合素質(zhì)、開(kāi)展港航工程論證、研發(fā)綜合船橋設(shè)備等眾多方面產(chǎn)生了積極而長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。目前，國(guó)外航海模擬器主要由挪威的Kongsberg公司、英國(guó)的Transas公司以及美國(guó)的Ship Analytics公司等商業(yè)性公司研制與開(kāi)發(fā)。

Polaris系列船橋模擬器是Kongsberg公司的第6代產(chǎn)品，可分為全任務(wù)系統(tǒng)、多任務(wù)系統(tǒng)、有限任務(wù)系統(tǒng)和特定任務(wù)系統(tǒng)4類(lèi)。該系列模擬器的仿真駕駛臺(tái)采用了與實(shí)際設(shè)備相同或相近的設(shè)計(jì)，許多仿真設(shè)備面板與實(shí)際設(shè)備相同，整個(gè)駕駛臺(tái)環(huán)境與實(shí)際船舶非常接近，具有很好的真實(shí)感；該系列模擬器的視景系統(tǒng)以Multigen Creator作為建模軟件，三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)采用了OpenFlight格式。Ship Analytics公司的全任務(wù)船舶模擬器具有高仿真度的船橋設(shè)備，包括Radar/ARPA，GPS，Loran C等，采用六自由度的船舶數(shù)學(xué)模型。Transas公司生產(chǎn)的NTPRO5000模擬器的視景系統(tǒng)的 FOV可達(dá)到360°，采用OpenGL圖形技術(shù)，動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)生成視景圖像。該模擬器有自己的數(shù)據(jù)建模工具：Scene Editor和Model Editor；多邊形地形模型可由海圖數(shù)據(jù)自動(dòng)生成，產(chǎn)生的視景數(shù)據(jù)庫(kù)可由模型向?qū)Мa(chǎn)生的數(shù)據(jù)補(bǔ)充；雷達(dá)圖像由海圖數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)獲得。

以上幾家公司開(kāi)發(fā)的航海模擬器都符合或超出公約的各項(xiàng)要求，但從目前可查閱的資料分析，均未涉及內(nèi)河船舶模擬器的研發(fā)。

國(guó)內(nèi)航海模擬器的研發(fā)始于20世紀(jì)80年代末，以“引進(jìn)、消化、自主研發(fā)”為基本路線(xiàn)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已取得重大突破。大連海事大學(xué)V.Dragon系列模擬器視景系統(tǒng)配備了360°視場(chǎng)角的投影，場(chǎng)景中主要有海面、陸地、碼頭及其重要設(shè)施、助航設(shè)施、典型建筑物、港區(qū)的城市背景、目標(biāo)船等，海面能隨風(fēng)向和風(fēng)力的作用做相應(yīng)的起伏運(yùn)動(dòng)，能生成不同能見(jiàn)度等級(jí)的霧景，能模擬日晝的連續(xù)變化以及雨、雪等，整個(gè)畫(huà)面的更新速度≥30幀/s。該模擬器的視景系統(tǒng)以較低的成本為操縱者提供了較逼真、具有一定沉浸感的虛擬海上訓(xùn)練環(huán)境。

上海海事大學(xué)研制的綜合船舶操縱模擬器配備了較為完整的駕駛臺(tái)設(shè)備，具備雷達(dá)模擬器的全部功能。該模擬器的視景系統(tǒng)配備12通道360°寬視場(chǎng)角大屏幕投影，場(chǎng)景管理采用Vega Prime平臺(tái)，可顯示白天與夜間及各種能見(jiàn)度的場(chǎng)景，可生成海浪并反映風(fēng)向、風(fēng)速的影響，可模擬船舶尾跡效果。[3]武漢理工大學(xué)和集美大學(xué)也在航海模擬器研發(fā)過(guò)程中做了大量工作，取得了一定的成果。但迄今為止，內(nèi)河船舶模擬器的研發(fā)仍處于起步階段，相關(guān)研究仍集中在大連海事大學(xué)和上海海事大學(xué)等海事類(lèi)科研單位，搭建的內(nèi)河船舶操縱模擬器的視景系統(tǒng)中河流視景仍均基于海洋視景生成。由于內(nèi)河航道具有流急、灘險(xiǎn)的特點(diǎn)，基于海水建模方法生成的河水不能符合真實(shí)情況。因此，可提高環(huán)境真實(shí)感的內(nèi)河河流視景是內(nèi)河船舶操縱模擬器十分重要的研究?jī)?nèi)容,此處就河流流體仿真的研究現(xiàn)狀和研究?jī)?nèi)容進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 河流流體仿真的現(xiàn)狀

河流作為自然界中普遍存在的一種自然流體，是流體力學(xué)領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容之一，同時(shí)也是虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)游戲場(chǎng)景的重要組成部分，因此其研究受到了較大關(guān)注。在內(nèi)河船舶操縱模擬器中，為提升視景系統(tǒng)的環(huán)境真實(shí)感，河流流體的研究主要關(guān)注3方面內(nèi)容：仿真河水的動(dòng)態(tài)流動(dòng)效果；仿真水流與障礙物的交互碰撞效果等；仿真實(shí)時(shí)性的要求。

2.1河流流動(dòng)現(xiàn)象的模擬

從建模方法看，河流流體模擬主要分為基于物理模型方法的模擬和基于過(guò)程方法的模擬?；谖锢砟Ｐ偷牧黧w模擬能夠較準(zhǔn)確地構(gòu)建流體的速度場(chǎng)，但進(jìn)行較大尺度流體模擬時(shí)需大量計(jì)算，因此通常采用基于高度場(chǎng)的表面過(guò)程方法模擬河流、瀑布等大尺度流體。此處對(duì)相關(guān)學(xué)者在河流可視化方面提出的研究方法進(jìn)行分析和分類(lèi)，指出各方法的優(yōu)缺點(diǎn)；通過(guò)查閱與總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)，引入一種河流建模方法，用于內(nèi)河船舶模擬器中河流的繪制與生成。

2.1.1基于物理方法的河流流體模擬

基于物理方法的河流流體模擬主要通過(guò)求解二維淺水方程(Shallow Water Equation, SWE)[4]得到水流的速度場(chǎng)，進(jìn)而得到水域各處的壓強(qiáng)，把壓強(qiáng)大小伸縮并當(dāng)作第三維的數(shù)據(jù)(即當(dāng)作水表面高度)后，逼真的仿真物體在水域中移動(dòng)時(shí)即產(chǎn)生波紋或漩渦。運(yùn)用物理方法能夠?yàn)榱黧w模擬提供通用的理論支持和統(tǒng)一的解決方法，因此基于物理方法的水體模擬已被廣泛研究。冉劍等[5]介紹了一種基于物理規(guī)律的河流實(shí)時(shí)仿真方法，提出了一種Poisson圓盤(pán)分布的算法，可實(shí)現(xiàn)屏幕空間的合適的分布樣式；采用紋理精靈的技術(shù)，可通過(guò)紋理的動(dòng)態(tài)訪(fǎng)問(wèn)和紋理混合，有效地實(shí)現(xiàn)河流表面的渲染。運(yùn)用該方法可產(chǎn)生渲染效果非常好的河流視景，并能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)仿真的要求，但沒(méi)有考慮和其他物體的交互。CHEN等[6]運(yùn)用一種基于N-S方程的CFD(Computational Fluid Dynamics)方法進(jìn)行了流體的模擬，忽略垂直方向的變量，將三維模擬轉(zhuǎn)化為二維模擬，減少了流體模擬時(shí)的計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)交互模擬。該方法通過(guò)計(jì)算壓力場(chǎng)獲取流體表面的高度，可進(jìn)行多種黏度流體的模擬，在改變雷諾數(shù)的情況下，實(shí)現(xiàn)了基于物理方法的三維流體模擬真實(shí)感繪制。由于采用顯式時(shí)間積分會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性，而采用減小時(shí)間步長(zhǎng)的方法雖然能增強(qiáng)穩(wěn)定性，但增加了計(jì)算量，且其是在二維域上進(jìn)行的模擬，缺少深度信息，不能與準(zhǔn)確的CFD方法相比，因此這種方法不能應(yīng)用于精度要求高的工程需求中。STAM[7]提出了一種基于N-S方程的穩(wěn)流模型，能夠產(chǎn)生復(fù)雜的類(lèi)似流體的流。該方法采用特征線(xiàn)法解N-S方程，并用隱式處理擴(kuò)散定義，可保證穩(wěn)定性，因此可以加大時(shí)間步長(zhǎng)以提高模擬的速度。然而，該方法沒(méi)有解決具有自由邊界的流體模擬及流體與物體間的交互問(wèn)題。LAYTON[8]利用淺水方程進(jìn)行流體的流動(dòng)模擬，解淺水方程時(shí)采用隱式半拉格朗日方法，保證了在較大時(shí)間步長(zhǎng)的情況下算法的穩(wěn)定性。然而，文中的淺水方程受限于流體為無(wú)黏度的薄層流，帶有黏度的流現(xiàn)象和破碎波都不能被模擬。ENRIGHT等[9]基于粒子水平集方法提出的增稠面追蹤方法更準(zhǔn)確地模擬了水表面，采用的速度外推法達(dá)到了平滑移動(dòng)水表面的效果。這些改進(jìn)能夠很容易地結(jié)合現(xiàn)有的N-S方程，使最終效果不僅在視覺(jué)上逼真，在物理上也更可信。然而，該方法是基于三維N-S方程求解的，計(jì)算量較大。此外，POPINET[10]首次使用八叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不可壓縮流的建模；LOSASSO等[11]進(jìn)一步擴(kuò)展了這個(gè)方法，將該方法應(yīng)用于自由液面流體建模并將八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為非受限的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化流體模擬過(guò)程。

除了上述基于歐拉法和拉格朗日法進(jìn)行的流體模擬外，很多學(xué)者也在基于粒子法流體模擬方面進(jìn)行了研究。SANDER等[12]首次將SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)引入到圖形學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行火與氣態(tài)現(xiàn)象的模擬。MALLER等[13]基于SPH方法進(jìn)行自由液面流體的模擬，利用N-S方程獲取黏性流速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，并提出一種構(gòu)建表面張力的方法。KIPFER等[14]提出一種交互技術(shù)以進(jìn)行基于物理的模擬，并使用SPH方法進(jìn)行河流的真實(shí)渲染。該方法利用一種無(wú)網(wǎng)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有效地確定相鄰粒子及粒子碰撞問(wèn)題，基于這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提出一種有效分離和繪制自由液面的方法。這種方法比MC(Marching Cube)方法快，并能夠利用GPU(Graphic Processing Unit)加速，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)繪制。然而，采用該方法進(jìn)行河流的繪制時(shí)，隨著粒子數(shù)量的增加，繪制速度會(huì)大大降低。

2.1.2基于過(guò)程方法的河流流體模擬

基于過(guò)程方法的河流流體模擬把河水看作是一個(gè)由大量水粒子構(gòu)成的網(wǎng)格，每個(gè)水粒子沿一定的速度和方向平穩(wěn)推進(jìn)，便可仿真出水流的動(dòng)態(tài)效果。BURRELL等[15]采用流體求解器獲取并解算流體與地形的交互信息，使用運(yùn)動(dòng)的過(guò)程化紋理來(lái)表現(xiàn)河流的流動(dòng)，在仿真大規(guī)模河流視景中有一定代表性。SMELIK等[16]運(yùn)用邊界四邊形的方法劃分河流區(qū)域，并通過(guò)繪制Bezier曲線(xiàn)來(lái)描述河流的走向，把河流區(qū)域的像素投射到曲線(xiàn)上執(zhí)行渲染。該方法摒棄了粒子系統(tǒng)，較好地控制了計(jì)算復(fù)雜度。PERLIN等[17]將柏林噪聲應(yīng)用于速度場(chǎng)的計(jì)算，但不能處理邊界和全局流的問(wèn)題。CHENNEY[18]提出一種利用瓦片式結(jié)構(gòu)描述和構(gòu)建流的速度場(chǎng)的方法，這種結(jié)構(gòu)反復(fù)利用每一個(gè)小瓦片生成較大尺度流體的速度場(chǎng)，節(jié)省內(nèi)存，因此適于場(chǎng)景中的大尺度流體的模擬。然而，其在進(jìn)行內(nèi)部瓦片填充過(guò)程中采用的是線(xiàn)性?xún)?nèi)插技術(shù)，尤其是在指定瓦片邊緣和角落時(shí)均基于內(nèi)插進(jìn)行簡(jiǎn)化，而不是重新構(gòu)建瓦片結(jié)構(gòu)，這使得微小細(xì)節(jié)擾動(dòng)流的生成過(guò)程很難模擬；而且，因?yàn)槭褂昧朔叫瓮咂螤?，其在限制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同時(shí)也產(chǎn)生了失真。STAM[19]運(yùn)用傅里葉合成方法生成了逼真的紊流速度場(chǎng)，但這種方法不能處理任意固體邊界，需要計(jì)算和存儲(chǔ)整個(gè)三維域，空間上不能進(jìn)行人為控制。隨后其又在采樣點(diǎn)較少的情況下進(jìn)行相關(guān)研究，此時(shí)不需要進(jìn)行整個(gè)三維域的計(jì)算和存儲(chǔ)，但隨著采樣點(diǎn)增多，這種方法效率會(huì)降低，且沒(méi)有解決傅里葉合成域內(nèi)的調(diào)幅問(wèn)題。KNISS等[20]采用流函數(shù)的旋量計(jì)算流速的方法，模擬了不可壓縮流，但這種方法不能處理任意邊界條件的情況。BRIDSON等[21]在文獻(xiàn)[19]的基礎(chǔ)上，基于柏林噪聲提出一種生成擾動(dòng)速度場(chǎng)的方法，這種方法不適于具有分支和障礙物的復(fù)雜受限航道。YU等[22]改進(jìn)了文獻(xiàn)[20]和文獻(xiàn)[21]的方法，提出一種能夠模擬大規(guī)模虛擬世界中流動(dòng)流體的方法，能夠計(jì)算給定邊界條件的局部速度場(chǎng)，使其在模擬河流時(shí)可處理具有復(fù)雜邊界條件和分支的航道，但其在進(jìn)行河流繪制時(shí)采用的是凹凸紋理技術(shù)，因此河面的波動(dòng)現(xiàn)象并不明顯，尤其是在某個(gè)特定的角度。

2.2河水與其他物體交互的模擬

根據(jù)不同的邊界條件,流體可分為內(nèi)部流和外部流。如果流場(chǎng)位于航道、管道或其他任何外部邊界內(nèi)，稱(chēng)作內(nèi)部流，否則稱(chēng)為外部流。邊界條件不同，流場(chǎng)和流的行為就不同，因此邊界條件影響流體模擬的效果。CHEN等[6]應(yīng)用N-S方程進(jìn)行流體模擬時(shí)，不僅能夠模擬流體表面，也能獲取流體表面上點(diǎn)的速度場(chǎng)，因此在進(jìn)行流體模擬時(shí)，能夠模擬不同邊界條件下流體表面的物體移動(dòng)。然而，由于移動(dòng)的物體在每次位置改變后都要更新速度，這樣就增加了計(jì)算量，而且移動(dòng)的物體位置的改變依賴(lài)于N-S方程中初始值的設(shè)置，不能自動(dòng)地改變流體行為。 該方法模擬的流體外部邊界是固定的，因此不能模擬物體撞擊岸邊等現(xiàn)象。LAYTON等[8]提出的方法在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)都進(jìn)行水流流體的速度計(jì)算，因此可以進(jìn)行水表面漂流物體的模擬。FOSTER等[23]提出一種組合隱式表面和無(wú)質(zhì)量標(biāo)記粒子混合流體體積建模方法，在模擬和控制三維流體模擬方面做出了重要貢獻(xiàn)。該方法通過(guò)制定流體中移動(dòng)物體的合理邊界條件、使用有效的迭代法解壓力方程，并在粒子和隱式表面發(fā)展方程中使用時(shí)間步長(zhǎng)次循環(huán)機(jī)制，減少了流體速度和壓力因采用較大半拉格朗日穩(wěn)流時(shí)間步長(zhǎng)而產(chǎn)生的可視化錯(cuò)誤。由于GPU的并行計(jì)算能夠解決CPU在處理計(jì)算問(wèn)題時(shí)存在的一些限制，因此近年來(lái)很多學(xué)者開(kāi)始利用GPU的優(yōu)越性能處理流體模擬時(shí)的計(jì)算問(wèn)題。但是，GPU編程的靈活性欠佳，大部分都是在二維進(jìn)行簡(jiǎn)單的邊界條件處理。LIU等[24]利用GPU的并行性和可編程性及半拉格朗日算法解N-S方程，使得能夠處理二維和三維環(huán)境中的任意復(fù)雜邊界條件障礙物的流動(dòng)模擬。此方法高效快速，能夠處理中等規(guī)模問(wèn)題的實(shí)時(shí)模擬，但受限于圖形卡的紋理內(nèi)存，并不適于大規(guī)模的流場(chǎng)模擬。

2.3河水表面紋理移動(dòng)的模擬

為真實(shí)地體現(xiàn)河流流體運(yùn)動(dòng)表面的視覺(jué)效果，且不增加模擬時(shí)間，可采用紋理映射的方式。但是，為流動(dòng)的流體添加紋理是件復(fù)雜的事情，因?yàn)樵诹黧w流動(dòng)的過(guò)程中，其表面的紋理會(huì)變形。粒子系統(tǒng)作為一種在三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中模擬一些特定的模糊現(xiàn)象的技術(shù)被廣泛應(yīng)用于動(dòng)畫(huà)模擬。目前，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用中，通常采用在移動(dòng)的粒子上附加微小圖元或用spryticles進(jìn)行渲染的方式。粒子因其局部可控、輸出反饋復(fù)雜、能夠增強(qiáng)真實(shí)感等特性，被圖形工作者廣泛應(yīng)用。[25]文獻(xiàn)[22]在運(yùn)動(dòng)的粒子上附加微小圖元模擬流動(dòng)的流體，創(chuàng)建了真實(shí)的紋理映射后的河流。文獻(xiàn)[16]通過(guò)計(jì)算到河道邊界的距離控制投影的河道像素點(diǎn)，沿著河流的貝塞爾曲線(xiàn)進(jìn)行紋理映射，在增加一個(gè)時(shí)間依賴(lài)的偏移后，使得紋理能夠平滑地沿著河流曲線(xiàn)移動(dòng)。NARAIN等[26]利用速度噪聲合成湍流，合成的湍流能夠在大尺度流體上產(chǎn)生動(dòng)態(tài)流體效果，并能夠增強(qiáng)氣體和自由液面流體流動(dòng)的視覺(jué)真實(shí)感。

另外一種可視化流體的方法是隨著速度場(chǎng)平移紋理，其中在河流可視化方面，文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[22]都是在求解速度場(chǎng)的基礎(chǔ)上將紋理疊加到粒子上，使粒子隨速度場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，這種方法能夠很好地應(yīng)用于大尺度河流模擬，但存在不能體現(xiàn)三維細(xì)節(jié)、交互困難等問(wèn)題。以上文獻(xiàn)都是采用歐拉法進(jìn)行紋理平移，基本思想是利用速度場(chǎng)平移紋理。文獻(xiàn)[15]基于拉格朗日的方法進(jìn)行紋理平移，與文獻(xiàn)[24]相比，其在進(jìn)行紋理合成的過(guò)程中，使用的是全局能量最小化機(jī)制，保持了大尺度特征，會(huì)增加計(jì)算量。但該方法可以局部適應(yīng)良好細(xì)節(jié)，減少了計(jì)算量。VAN[27]提出Tiled Directional Flow算法用于繪制港口內(nèi)水面，整個(gè)算法在Shader中執(zhí)行，充分利用了GPU的并行機(jī)制，加速了整個(gè)算法，最終實(shí)現(xiàn)與流動(dòng)方向相關(guān)的視覺(jué)逼真效果。

3 內(nèi)河模擬器中河流仿真方法探究

內(nèi)河船舶模擬器作為一種實(shí)際應(yīng)用的仿真模擬器，不僅關(guān)注環(huán)境的真實(shí)感，更注重仿真的實(shí)時(shí)性。綜合上述河流流體建模與仿真方法，結(jié)合文獻(xiàn)[5，15-18，22-23]，引入一種基于過(guò)程法的河流仿真方法，將流函數(shù)應(yīng)用到河流速度場(chǎng)求解，并利用泊松圓盤(pán)分布的算法，控制屏幕空間的分布樣式。該算法生成的粒子用于表達(dá)河流的速度場(chǎng)，進(jìn)而仿真河流表面；采用經(jīng)噪聲擾動(dòng)的河流真實(shí)紋理，通過(guò)疊加泊松圓盤(pán)產(chǎn)生的粒子，更真實(shí)地模擬河流表面。河流視景生成總體而言可分為3步。

1. 求解給定邊界的河流速度場(chǎng)。這是整個(gè)河流仿真中最基本、最重要的環(huán)節(jié)。

2. 生成泊松圓盤(pán)分布采樣粒子，以實(shí)現(xiàn)屏幕空間的均勻采樣，利用該算法生成的河流粒子，更直接體現(xiàn)河流流動(dòng)效果。

3. 為真實(shí)地表達(dá)河流表面，采用經(jīng)柏林噪聲擾動(dòng)的紋理。

算法實(shí)施的具體流程見(jiàn)圖1。

圖1 河流仿真算法實(shí)施流程

4 結(jié) 語(yǔ)

在閱讀流體可視化相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者所做的工作進(jìn)行了總結(jié)。目前，國(guó)內(nèi)外用于河流流體生成、繪制的理論和方法主要分為基于物理模型的方法和基于過(guò)程的方法。針對(duì)河流可視化，基于物理模型的方法能夠更準(zhǔn)確地描述流體的運(yùn)動(dòng)和表面細(xì)節(jié)，但計(jì)算量大，因此很難達(dá)到實(shí)時(shí)繪制?；谶^(guò)程的方法構(gòu)建河流表面能夠減少計(jì)算量，達(dá)到實(shí)時(shí)繪制的目的，可用于仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的可視化，但精度不夠，不能應(yīng)用于精度要求很高的工程模擬。針對(duì)內(nèi)河船舶操縱模擬器視景系統(tǒng)，河流視景應(yīng)至少滿(mǎn)足大尺度、實(shí)時(shí)性、交互性的需求。為滿(mǎn)足這些需求，在進(jìn)行內(nèi)河船舶模擬器中河流的繪制時(shí)，綜合考慮基于物理模型的方法和基于過(guò)程法的技術(shù)，引入一種基于過(guò)程法的河流建模與繪制方法。結(jié)合航海模擬器現(xiàn)有的研發(fā)成果，開(kāi)發(fā)出能應(yīng)用于內(nèi)河船舶操縱模擬器的河流視景系統(tǒng)。

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ReviewonMethodsofRenderingofRiversinInlandRiverShipSimulator

ZHAIXiaoming,YINYong,SHENHelong,XIAOFangbing

(Marine Dynamic Simulation and Control Lab, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

River scene is important for improving fidelity of the whole scene in inland shiphandling simulator. But the feature of flowing and complex physical characteristics is a challenge in visualization. So the present situation of inland river shiphandling simulator at home and abroad is reviewed. Based on demand, consulted literature on methods of river visualization, the relative technologies are classified, the advantages and disadvantages of various technologies are pointed out, and the problems on researching river visualization summarized finally. Especially aiming at demand on river scene in inland river shiphandling simulator, simulation methods are tried to find out properly, and basic theory for further researching is provided.

waterway transportation; simulator; river; rendering; overview

2014-06-25

國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目(2009CB320805)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(3132013302;3132013007;3132013009)

翟小明(1985—)，男，吉林榆樹(shù)人，博士生，主要研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)，視景仿真技術(shù)。E-mail:zhxm106@163.com

尹 勇(1969—)，男，湖北鄖縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楹胶７抡婕夹g(shù)、實(shí)時(shí)圖形算法、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多通道視覺(jué)系統(tǒng)等。E-mail:bushyin@163.com

1000-4653(2014)03-0041-05

U666.158

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