VV-Ocean海洋環(huán)境仿真與海洋數(shù)據(jù)動態(tài)可視化系統(tǒng)的研究與實現(xiàn).pdf

1、隨著“數(shù)字海洋”一步步地深入研究,人們亟需采用先進(jìn)的計算機(jī)虛擬現(xiàn)實與可視化手段給參與者提供逼真的感受,并直觀地揭示海洋信息中隱藏的各種規(guī)律。本文基于VC++、OpenGL和GPUJ創(chuàng)建海洋水體3D渲染引擎,綜合對海洋環(huán)境中地形、水體及模型等各種可見要素進(jìn)行3D虛擬,同時研究各種真實的海洋監(jiān)測和遙感數(shù)據(jù)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行可視化的方法,在此基礎(chǔ)上研發(fā)實現(xiàn)面向海洋的虛擬現(xiàn)實與可視化系統(tǒng)—VV-Ocean(Ocean Oriented Virtu

2、al Reality andVisualization System)。在空間上,VV-Ocean可以實現(xiàn)城市、極地和全球范圍的虛擬環(huán)境表達(dá)和交互性地理信息空間分析與可視化展示。論文的主要內(nèi)容如下:
　　 (1)海陸地形的數(shù)據(jù)組織與繪制研究
　　 本文以多尺度地形繪制的研究為基礎(chǔ)。針對局部小范圍平面地形渲染,本文對傳統(tǒng)的四叉樹方法和最新的Geometry Clipmap方法進(jìn)行分析比較與選擇。針對南北兩極區(qū)域以及全球性區(qū)

3、域分別提出了數(shù)據(jù)重采樣與坐標(biāo)變換算法,采用Geometry Clipmap的手段取得了很好的效果和效率,同時能方便地進(jìn)行地形坐標(biāo)查詢和交互漫游。
　　 (2)海洋環(huán)境的高逼真度實時渲染研究
　　 本文研究的核心是虛擬海洋環(huán)境的渲染。通過頂點紋理、法線紋理、反射紋理、刻蝕紋理和GPU像素著色編程實現(xiàn)仿真水面、反射折射光照、實時反射倒影、刻蝕疊加等水上及水下動態(tài)渲染效果;利用三維建模、透明貼圖、粒子系統(tǒng)等方法模擬海底空間效果

4、,對光線、霧效、氣泡等進(jìn)行實時渲染;同時,對虛擬魚類進(jìn)行路徑規(guī)劃和避障處理,最終構(gòu)造一個豐富逼真的海洋環(huán)境。
　　 (3)虛擬海洋環(huán)境中真實數(shù)據(jù)的多維動態(tài)可視化研究
　　 數(shù)據(jù)是分析、研究、預(yù)測各種海洋屬性與現(xiàn)象的基礎(chǔ)。本論文的研究特色在于將海洋三維虛擬場景與數(shù)據(jù)可視化集成到一起,按需要在虛擬場景中進(jìn)行有效展示。將海洋表面數(shù)據(jù)的可視化與海洋水面的仿真進(jìn)行一體融合,將海洋水體數(shù)據(jù)在虛擬海洋場景中用點、線、面、體等形式展示,

5、還可以將可視化結(jié)果按時間順序動態(tài)播放出來,同時并提供了單獨可視化展示窗口。系統(tǒng)整體上結(jié)合了虛擬現(xiàn)實的實時交互性與可視化的直觀規(guī)律性等特點,能夠為海洋科研和工作人員對相關(guān)的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行描述、分析、預(yù)測提供虛擬支持。
　　 (4)面向海陸一體仿真的系統(tǒng)集成技術(shù)研究
　　 結(jié)合已有面向陸地城市3D仿真的VRGIS平臺,進(jìn)行技術(shù)集成創(chuàng)新,將VV-Ocean技術(shù)集成并應(yīng)用于海陸景觀一體化虛擬現(xiàn)實平臺的建設(shè),對水體渲染引擎插件式軟

6、件集成、水域可控性靈活編輯等海陸一體虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行研究,實現(xiàn)三維海陸直觀可視環(huán)境下的空間分析、實時查詢、虛擬展示。
　　 本文著重研究多尺度海陸地形的高速繪制和各種海洋動態(tài)水體要素的一體化渲染,并探索真實海洋數(shù)據(jù)多維動態(tài)可視化的方法,主要創(chuàng)新點有:
　　 (1)提出多尺度海陸地形均采樣變換方法與疊加顯示的“鑲嵌”算法將地形數(shù)據(jù)均采樣變換流程與繪制流程分離,針對極地區(qū)域范圍和全球區(qū)域范圍的地形繪制提出數(shù)據(jù)重采樣和坐標(biāo)映射

7、算法實現(xiàn)對不同緯度地區(qū)的近似均勻采樣,借助Geometry Clipmap手段實現(xiàn)海濱城市平面地形、極地區(qū)域平面地形以及全球區(qū)域球面地形的實時繪制。所采用的數(shù)據(jù)組織與坐標(biāo)映射算法能快速地完成正向、逆向坐標(biāo)映射,且與所采用的地形渲染流程分離,是將平面局部地形繪制擴(kuò)展到半球、全球區(qū)域地形繪制的有效方法。在多尺度地形繪制基礎(chǔ)上,研究并創(chuàng)新性地提出任意形狀的局部地形“鑲嵌”顯示在全球球面地形上的算法。
　　 (2)構(gòu)建基于紋理的海洋動態(tài)

8、水體3D高效渲染引擎
　　 本文分析水面波動、光照、碰撞等物理模型的特點,構(gòu)建專門對水面、水上水下光照、實時反射、光線、氣泡、魚類進(jìn)行一體渲染的海洋水體3D渲染引擎,廣泛采用動態(tài)頂點紋理、動態(tài)法線紋理、動態(tài)刻蝕紋理以及實時反射紋理來高效渲染海洋特效,極大地利用GPU紋理高速緩沖存儲器,發(fā)揮GPU加速渲染的效能。該引擎能解決一系列海洋虛擬現(xiàn)實所特有的問題,包括水面動態(tài)光照、實時反射,虛擬魚類的路徑規(guī)劃,水體環(huán)境復(fù)雜的碰撞檢測,水底

9、刻蝕效果的疊加等。
　　 (3)提出海表真實數(shù)據(jù)4D可視化與海面動態(tài)仿真的GPU融合算法
　　 改進(jìn)仿真水面的網(wǎng)格分布模型,創(chuàng)新性地基于同一套水面網(wǎng)格模型將海表真實標(biāo)量數(shù)據(jù),尤其是MSLA數(shù)據(jù)在經(jīng)度、緯度、高度以及時間維上的4D可視化與實時仿真水面的渲染通過GPU頂點程序進(jìn)行水面頂點位置的融合,通過GPU片段程序進(jìn)行輸出色彩的融合;一方面能動態(tài)表達(dá)仿真的海表面,另一方面能直觀展示真實數(shù)據(jù)在海表面上的分布與變化規(guī)律。這是將