基于JONSWAP谱的改进Gerstner海浪模型

为提高航海模拟器的沉浸感和训练效果,提出一种对海浪仿真的逼真度进行改进的方法。利用改进的Gerstner模型基于海浪谱对JONSWAP谱和方向谱进行参数提取。利用提取的参数求得满足精度要求的足够数量的单元波模型后,利用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)进行加速计算生成高度图。通过Perlin噪声叠加分形布朗运动(fractional Brownian motion,FBM)生成Perlin噪声扰动高度图。将两种方法计算出来的高度图进行叠加融合处理。采用二分逼近法进行海浪光线渲染,实现海浪场景的仿真。实验结果表明,提出的方法在保证实时性的情况下提高了海浪仿真的真实程度,克服了传统FFT算法仿真大规模海浪三维场景重复性高的问题。

基于海浪谱的Gerstner波浪模拟

本文从海洋学现有的观测和研究成果出发,结合海浪的Gerstner模型,提出一种风力作用下的基于海浪谱的三维Gerstner海浪模型。首先,通过分析Gerstner模型各个参数的随机性,利用海浪谱和方向谱相关公式,获得固定风速下模型各随机参数值,建立固定风速下的海浪模型;然后,在此基础上进一步构造了基于海浪谱的风力模型,模拟了风力作用下的海浪;最后,采用基于视点的网格拓扑结构,实现了海浪的实时绘制。实验结果表明,该模型不仅能更真实地模拟海浪,还具有较好的交互性。

基于Gerstner-Rankine模型的真实感海洋场景建模与绘制

通过对国内外典型的海浪建模和绘制方法的研究,提出一种新的海浪模拟方法。该方法基于Gerstner-Rankine模型,引入概率统计思想,建立包括波浪折射在内的海浪模型,并采用基于立方体映射的方法实时计算海洋表面纹理,生成了真实感较强的海浪效果,再现了海天一体化场景。实验结果表明能满足数字化海战场环境的逼真性和实时性需求。

基于3D Gerstner水波的实时模拟研究

简述了模拟水波的原理,使用面向对象方法对水波3D实时模拟系统进行了结构设计,给出了设计模式的结构图,提出了一个可复用的系统框架。详细介绍了使用HLSL对Gerstner水波进行编程的方法,实现了水波实时渲染的模拟并给出了关键的程序代码。最后分析了使用Gerstner波进行水波模拟存在的不足并提出了改进建议。

Three-dimensional dynamic sea surface modeling based on ocean wave spectrum

In conventional marine seismic exploration data processing,the sea surface is usually treated as a horizontal free boundary.However,the sea surface is affected by wind and waves and there often exists dynamic small-range fluctuations.These dynamic fluctuations will change the energy propagation path and affect the final imaging results.In theoretical research,different sea surface conditions need to be described,so it is necessary to study the modeling method of dynamic undulating sea surface.Starting from the commonly used sea surface mathematical simulation methods,this paper mainly studies the realization process of simple harmonic wave and Gerstner wave sea surface simulation methods based on ocean wave spectrum,and compares their advantages and disadvantages.Aiming at the shortcomings of the simple harmonic method and Gerstner method in calculational speed and sea surface simulation effect,a method based on wave equation and using dynamic boundary conditions for sea surface simulation is proposed.The calculational speed of this method is much faster than the commonly used simple harmonic method and Gerstner wave method.In addition,this paper also compares the new method with the more commonly used higher-order spectral methods to show the characteristics of the improved wave equation method.

基于Gerstner波模型的海洋卷浪实时仿真

基于Gerstner波海浪模型,同时引入Perlin噪音扰动来构建出海浪的基本造型;采用一种基于梯度的波峰搜索算法,动态搜索到波峰网格点;采用超前预测的波峰生成算法生成一个卷曲的波峰曲面,将之替换原始的波峰曲面,得到不同情况下的大规模实时卷浪效果.

基于Gerstner函数和JONSWAP海浪谱的海浪仿真

针对单一海浪仿真方法在不同场景应用的局限性,提出了基于Gerstner函数与JONSWAP海浪谱相结合的海浪仿真方法,实现了不同波浪强度下的海浪建模.选取了Gerstner函数方程组作来海浪构造模型,并将其扩展成三维形式模拟海浪的细节和真实度;为了控制海浪模型并实现海浪的随机性、多变性、真实性,采用了JONSWAP海浪谱获取控制海浪模型的参数,进而建立了海浪仿真模型;针对多组海浪谱的频谱参数进行海浪仿真和不同海浪建模方法的海浪仿真,实验结果表明,所提方法有效性和实用性较好,真实度高,并适用于多种海浪场景.

Ocean Wave Model and Wave Drift Caused by the Asymmetry of Crest and Trough

It follows from the review on classical wave models that the asymmetry of crest and trough is the direct cause for wave drift. Based on this, a new model of Lagrangian form is constructed. Relative to the Gerstner model, its improvement is reflected in the horizontal motion which includes an explicit drift term. On the one hand, the depth-decay factor for the new drift accords well with that of the particle’s horizontal velocity. It is more rational than that of Stokes drift. On the other hand, the new formula needs no Taylor expansion as for Stokes drift and is applicable for the waves with big slopes. In addition, the new formula can also yield a more rational magnitude for the surface drift than that of Stokes.

大范围动态海浪实时渲染

为实现大范围动态海浪的实时渲染提出了一种高效方法.首先提出一种基于LOD技术的新型网格模型,采用Gerstner模型在GPU(图形处理单元)上实现了海浪的动态模拟和Choppy波的模拟,给出一种凹凸纹理贴图的方法对较远处的海浪渲染实现加速,并利用动画凹凸纹理改善海浪渲染效果;其次通过立方体纹理实现了对天空、太阳的反射效果,运用Phong光照模型实现了海浪的光照并实现了菲涅尔反射;最后采用动画纹理模拟了海浪中的泡沫,并实现了云在海面上投射的阴影等特殊效果.实验结果表明,该方法可以对90 km范围的海浪进行实时交互渲染,并已成功应用于某飞行模拟器中.

基于方向谱的海浪合成方法

研究海浪对反舰导弹的控制系统与飞行弹道的影响,需要对海浪进行逼真模拟。在分析随机三角函数叠加产生海浪及反演海浪频谱模拟海浪不足的基础上,提出基于方向谱的海浪合成方法:采用Gerstner波形描述海面,通过对方向谱进行四叉树采样,提取组成波振幅、频率、传播方向等参数合成海浪。该方法能够模拟远离海岸的任意大小、任意精度的连续海洋表面,效果逼真,可用于海浪的数值仿真与视景仿真中,能够为反舰导弹控制系统仿真及三维弹道仿真提供连续海洋波面数据。

使用波数谱绘制海浪波幅畸变的校正

针对快速傅里叶逆变换形式Gerstner波绘制海浪出现波幅畸变的问题,提出使用波数谱绘制海浪波幅畸变的校正方法.首先重新推导了包含基元波振幅的快速傅里叶逆变换形式Gerstner波;然后用右侧Riemann求和对波数谱的定积分进行离散,离散积分域的边界值由快速傅里叶逆变换对波数向量的采样方式决定,得到基元波振幅的近似解;最后将该近似解代入上述推导所得的形式中,得到傅里叶系数中包含波数谱和离散积分域面积的快速傅里叶逆变换形式Gerstner波.实验结果表明,采用该方法可以准确地计算海浪势能和基元波振幅,绘制结果波形稳定,有效地解决了波幅畸变的问题.

表面波法海浪绘制综述

将海浪绘制方法划分为计算流体力学法与表面波法,对表面波法近年的发展进行综述。表面波法又可分为Gerstner波法、快速傅里叶逆变换法,前者绘制结果为规则波,后者绘制结果为不规则波,两者都适于实时绘制大尺度海浪,且能实现波浪破碎。对快速傅里叶逆变换法所用海浪谱进行改进,使绘制的海浪能体现风距、风速的影响。对波数向量采样进行优化以提高绘制效率;改进海浪破碎方式,使绘制结果与观测数据更接近。

流体与海浪绘制综述

对流体与海浪绘制进行了综述.首先,对流体与海浪的绘制方法进行分类,并介绍了各绘制方法的研究进展.流体与海浪的绘制方法可分为两大类:基于模型的绘制、基于视频数据的绘制.基于模型的绘制可分为基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型的绘制、基于Perlin噪声模型的绘制、基于Gerstner波模型的绘制.其中,基于CFD模型的绘制又可分为基于Euler法的绘制、基于Lagrange法的绘制;基于Gerstner波模型的绘制又可分为直接使用Gerstner波模型的绘制、使用快速傅里叶逆变换形式Gerstner波模型的绘制.基于视频数据的绘制可分为可控水体的绘制、大尺度水体的绘制.进而,对上述绘制方法进行比较,分析了各绘制方法的优缺点、适用范围.最后,探讨了各绘制方法的发展趋势.

动态海面红外视景仿真研究

动态海面红外视景仿真在战场红外视景重构以及红外跟踪制导装备研究方面有着极其重要的作用。为提高海面红外仿真效果,采用Gerstner波进行海浪波面建模,采用基于PM谱和SWOP方向扩展函数的海浪方向谱进行波面参数计算,根据海面辐射特性进行海面红外辐射效果模拟,实现了动态海面高逼真度红外视景仿真。仿真结果表明,该方法符合实际情况,具有较高的应用价值。

以海面质点垂向加速度为判据的白浪绘制

白浪绘制中常用海面高程、Jacobian行列式作为白浪生成的判据,但这两种方法缺乏海洋工程相关理论的支持,绘制结果不够逼真。针对上述问题,本文提出了以海面质点垂向加速度为判据的白浪绘制方法。推导了海面质点垂向加速度的快速傅里叶逆变换形式,并给出了以海面质点垂向加速度为变量的连续型白浪覆盖率随机函数,通过调整该函数的参数来控制白浪消逝的时间。实验结果表明:用该函数计算的白浪覆盖率均值与采用统计模型计算的白浪覆盖率相等。将该白浪覆盖率作为融合因子,融合白浪纹理像素颜色和海面像素颜色。本文提出的白浪绘制方法有合理的理论依据,计算量小,绘制的白浪与蒲氏风级对白浪的描述接近,帧率可以达到实时计算。

多项式函数的实时水波模拟算法

本文通过分析三角函数的泰勒展开式,提出了一种利用多项式函数优化三角函数的计算方法,用于改善虚拟系统中水波模拟的实时性。本算法中,通过引入多种控制波形的参数,实现了水波波形的多样性。在此基础上,还提出了一种计算表面法向量的方法,以便更好地与周围环境及光线进行交互。选用自然水波图像作为参考,并与当前典型算法Gerstner和FFT算法进行性能对比。实验结果表明,本文算法能生成丰富、自然的水波运动,且一定程度上减少了水波模拟过程中的计算量(约13%),适用于实时性要求较高的系统。

基于浅水海浪数值模型的近岸海浪仿真

针对航海模拟器中视景仿真的要求,对海浪进行实时仿真.在分析近岸水波模拟中几何合成法和物理方法的基础上,提出一种利用浅水海浪SWAN数值模型的近岸海浪仿真方法.该方法基于Gerstner海浪波形,通过对需要模拟水域进行水深数据采集,应用SWAN对网格化水深数据进行相应的计算,得到近岸海域的波高、相位以及频率数据.通过采样得到Gerstner波形所需参数进行合成.基于GPU实现了LOD海面的几何绘制和光学效果.实验表明,该方法在满足近岸水波数值特性的同时,绘制方法简单且速度快,能够满足航海模拟器近岸航行训练的需求.

基于分形融合FBM的海浪模型研究

海浪模拟作为非线性模拟代表方向之一。国内外研究划分为两种派系,由此产生的各种单一模型都不能满足逼真、快速和可控的需求。提出了一种新的改进海浪模型。该模型融合了分形的分数布朗运动曲面模型,以及经典的线性叠加浪谱Gerstner模型;并通过两种模型产生高度场的权重比值,来对海浪模拟进行调节和控制。实验证明,新模型生成的海浪逼真度高,能够产生大面积海面,改变视点,可以通过人为参数设定改变海浪海况;与经典模型相比,具有计算效率好、逼真度高、可控性好的优点,说明新模型在海浪模拟模型研究方面具有一定的改善。

常见三维场景中水面特效的模拟

针对常见三维场景中水面特效真实感与实时性较难平衡的现状,提出了一种基于Gerstner波模型的水面特效模拟方法。对振幅添加了随机扰动,使得波动更具有变化;在将叠加后Gerstner波分为大波与小波的基础上,通过改变不同类型波的参数可方便地控制波形;最后引入反射率与透明度以适应不同的环境与水体。实验结果表明,新的模型不仅呈现出更加真实的水面特效,而且得到了比较理想的渲染速度。

基于方向谱的海浪三维数值模拟

为进行海面视景仿真,对基于方向谱的海浪三维数值模拟方法进行了研究。采用Gerstner波对海浪模型进行了建模,并增加陡度控制参数控制海浪波形,总结了常用的海浪谱和方向扩展函数,分析了波浪立体观测计划(SWOP)和Donelan方向扩展函数之间的异同,采用PM谱和Donelan方向扩展函数构成的海浪方向谱,进行了海浪的三维数值模拟。结果表明,该方法仿真效果逼真,具有较高的应用价值。