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原文传递航海模拟器视景中大规模近岸海浪的模拟

论文题名：	航海模拟器视景中大规模近岸海浪的模拟
关键词：	海浪模拟;海面绘制;航海模拟器;近岸海域;数学模型
摘要：	航海模拟器的模拟区域一般都会选择近岸海域，但模拟器中现有的海浪模拟方法却基本没有考虑海浪在近岸传播过程中受海底地形、海岸及海工建筑的影响而产生的各种效果。作者通过研究现有的各种海浪模型，提出了一系列模拟大规模近岸海浪的方法，并将其应用于航海模拟器。本文主要的创新点如下：　　 1.基于不同的海浪数学模型，给出了四种海面运动建模方法：　　 ①基于Boussinesq类方程直接解算出模拟海域一段时间的海面高度场序列，将其处理成“无限长”的高度场序列来模拟海面运动。该方法可以逼真地模拟近岸海浪浅化、折射、绕射、反射和非线性波-波相互作用等综合现象。　　 ②基于椭圆型缓坡方程求解出模拟海域复数形式的波高分布，根据这些值用随时间变化的指数曲面实时拟合海面运动。该方法可以逼真地模拟近岸波浪浅化、折射、绕射和反射等现象。　　 ③基于抛物型缓坡方程求解模拟海域的波浪参数分布和一个瞬时的海面高度场，根据这些参数用随时间变化的余弦曲面实时拟合海面运动。该方法可以模拟大面积近岸海浪浅化、折射和绕射等现象。　　 ④基于SWAN模型在一个粗糙的网格上求解模拟海域的波浪参数分布，根据这些参数和视点的位置用快速傅立叶变换的方法拟合视场内海面运动。该方法可以模拟非常大区域的近岸海浪的浅化、折射、风能输入等效果，并容易过渡到开阔海域的波浪。　　 2.对大规模近岸海面的几何建模与绘制，提出扇形海面的几何建模方法和基于可编程图形处理器来模拟海面反射、折射、泡沫、眩光和浪花等光影效果的绘制方法，该方法可实时地绘制大面积效果逼真的近岸海面。　　 3.开发了近岸海浪模拟视景系统软件，并应用于航海模拟器中不同的模拟场景，验证了上述建模方法的可行性。　　目前航海模拟器中几乎所有的练习区域都是在近岸海域，但国内外现有的模拟器却基本上都在使用开阔海域的海浪模型，这些模型显然不能正确地模拟近岸海浪的各种效果。为了提高航海模拟器视景中海浪的真实感，本文通过研究现有的各种海浪模型，提出了一系列模拟大规模近岸海浪的方法。　　对于近岸海面运动的模拟，针对不同面积的海域提出了不同的方法。面积在100km2左右的海域，先用Boussinesq类方程直接解出整个模拟海域一段时间的海面高度场序列，在绘制时再将其重新合成“无限长”的高度场序列来模拟海面的运动。面积在500km2左右的海域，先用椭圆型缓坡方程求解出模拟海域复数的波高分布，再根据这些值用指数曲面拟合海面运动。面积在2500km2左右的海域，先用抛物型缓坡方程求解模拟海域的波浪参数分布和一个瞬时海面高度场，再利用这些参数用余弦曲面拟合海面运动。面积在10000km2左右的海域，先用SWAN模型在一个粗糙的网格上求解模拟海域的波浪参数分布，再根据这些参数和视点位置用快速傅立叶变换的方法拟合视野内海面的运动。　　对于近岸海面几何建模与绘制，提出一种视点相关的扇形海面网格，提出基于可编程图形处理器的绘制方法来模拟海面的反射、折射、泡沫、眩光等光影效果。　　本文提出的这些方法已应用于大连海事大学搜救模拟器和浙江海洋学院航海模拟器等系统。实际应用情况证明，采用本文方法模拟的大规模近岸海浪物理真实感强，视觉效果逼真，绘制效率较高，适用于航海模拟器等实时虚拟现实系统。
作者：	李永进
专业：	交通信息工程及控制
导师：	金一丞
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文