航海模擬器中大規(guī)模冰區(qū)場景建模及可視化.pdf

1、冰區(qū)航行與普通海域航行有著很大的不同。近年來，在船舶駕駛人員的適任標準和航海模擬器的認證標準中，IMO(世界海事組織)都新增了對冰區(qū)航行相關內容的附加要求，這意味著針對冰區(qū)航行相關視景的仿真研究勢在必行?，F(xiàn)有冰區(qū)航行視景研究中存在的問題有:1）缺少適用于冰區(qū)航海模擬器的海冰物理模型;2）缺少可進行破碎仿真的海冰幾何圖形建模方法;3）缺少大規(guī)模海冰場景管理方法。以解決上述問題為研究目的，論文的主要研究工作如下:
　　1.根據(jù)挪威船級

2、社和德國勞氏船級社對冰區(qū)航海模擬器的認證要求，對冰區(qū)視景系統(tǒng)進行架構設計，確定了海冰模型為視景系統(tǒng)核心，并對其關鍵性問題做出了闡述。
　　2.分析總結并仿真驗證了海冰熱力條件以及特征冰厚對海冰厚度的影響，然后詳細研究了船冰交互過程中海冰的數(shù)值計算，將其模塊化為破冰模塊和剛體運動模塊。以半無限平面彈性地基理論、楔形梁結構以及能量守恒理論為基礎，對船冰交互過程進行了仿真計算和驗證，最終提出了一種適用于航海模擬器冰區(qū)視景的海冰物理模型。

3、
　　3.為了同時滿足冰區(qū)航行視景系統(tǒng)的真實感和實時性要求，在海冰物理特性分析的基礎上對海冰進行了幾何圖形建模。采用Voronoi圖算法對三維海冰模型進行破碎處理，并將OBB包圍盒碰撞檢測算法應用于船冰交互過程，建立海冰圖形模型，最終結合海冰物理特性對破冰過程以及航道封凍過程進行可視化仿真，獲得沉浸感較高的仿真效果，且完全可以滿足實時交互的需求。
　　4.將四叉樹空間索引算法應用于海冰模型數(shù)據(jù)的動態(tài)創(chuàng)建和管理，較大程度上減少

4、了資源的消耗，進一步提升整個視景系統(tǒng)的流暢性。該算法優(yōu)化了海冰場景的可視化效果，為航海模擬器海冰視景場的實時仿真提供了創(chuàng)建和管理基礎，也為冰區(qū)航海模擬器視景系統(tǒng)后續(xù)的船冰交互過程仿真提供了科學高效的數(shù)據(jù)基礎。本文最終利用OSG場景繪制引擎、3DS MAX建模、圖像處理和可視化編程等相關技術，對大規(guī)模冰區(qū)場景進行了可視化實現(xiàn)。
　　論文研究獲得的冰區(qū)視景仿真效果真實感和實時性較高，適用于冰區(qū)航海模擬器。該研究成果不僅對推進冰區(qū)航海模