海洋环境要素可视化与虚拟仿真
虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究
第53卷 第7期 2023年7月中国海洋大学学报P E R I O D I C A LO FO C E A N U N I V E R S I T YO FC H I N A53(7):111~117J u l y,2023虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究韩 勇1,2,黄家琛1,马纯永1,2,杨 杰1,2,陈 戈1,2(1.中国海洋大学信息科学与工程学部,山东青岛266000;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东青岛266237)摘 要: 本文利用虚拟现实和可视化技术,对虚拟海洋环境仿真中海浪仿真㊁海风仿真与风海流仿真等关键技术进行研究,并基于研究成果开发了交互式虚拟海洋仿真系统㊂结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,对东方红2号海洋调查船进行三维建模,并运用体素化分析方法模拟其在海面的运动情况,构建了虚拟海洋环境观测载体㊂系统根据涉海专业出海实践内容设计观测实验,还原了海风观测实验和C T D 观测实验,能有效缓解当前涉海高校实践教学资源的不足,提高海洋人才的培养质量㊂关键词: 虚拟海洋;海浪仿真;船舶仿真;观测实验;实践教学中图法分类号: P 714;T P 391.9 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)07-111-07D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20220075引用格式: 韩勇,黄家琛,马纯永,等.虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(7):111-117.H a nY o n g ,H u a n g J i a c h e n ,M aC h u n y o n g ,e t a l .R e s e a r c h o f k e y t e c h n o l o g i e s a n d i m pl e m e n t a t i o n o n v i r t u a lm a r i n e e n v i -r o n m e n t s i m u l a t i o n [J ].P e r i o d i c a l o fO c e a nU n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(7):111-117. ❋ 基金项目:国家重点研究发展计划项目(2020Y F B 1710400)资助S u p p o r t e d b y t h eN a t i o n a l K e y R e s e a r c h a n dD e v e l o p m e n t P r o gr a mo f C h i n a (2020Y F B 1710400)收稿日期:2022-02-09;修订日期:2022-03-10作者简介:韩 勇(1969 ),男,教授㊂E -m a i l :y o n gh a n @o u c .e d u .c n 在海洋科学及技术类专业中,出海实践是专业学习的重要组成部分㊂出海实践的教学内容包含理论知识学习㊁仪器设备操作㊁海洋观测实验等内容,是培养涉海专业人才的必要环节㊂但由于教学船只紧张㊁设备费用昂贵及培训周期长等问题[1],许多涉海高校无法开展出海实践课程,难以满足涉海专业学生的培养需求㊂目前中国隶属于高等学校的海洋调查船大多需要承担繁重的科研任务,难以满足广大高校涉海专业学生的实践教学需求,难以保证涉海人才的培养质量㊂因此在船时不足的条件下,一些涉海高校积极寻找新的海洋实践教学方案㊂大连海洋大学为涉海专业建立了虚拟仿真实验教学中心,采用模拟设备与三维仿真相结合的方式实现了驾驶模拟㊁轮机工程模拟和船舶仿真等实训内容[2]㊂江苏海洋大学建立了占地面积3400m2的海洋工程技术研究中心,并配有多种常规海洋仪器和大型海洋仪器,使涉海专业学生能在学校内完成和实践教学相关的训练课程[3]㊂然而,采用搭建真实场景模拟海上实践环境的方式仍旧存在着场景搭建成本高昂㊁后期维护复杂等问题,而且以室内培训为主的教学方式很难还原真实的海洋实践教学环境,导致教学过程缺乏沉浸感,影响教学效果㊂虚拟海洋环境仿真以虚拟现实技术为核心,融合海洋相关学科知识内容,对一定范围内的海洋环境及其相关要素在视㊁听㊁触等方面进行还原㊂虚拟现实技术具有沉浸性㊁交互性㊁想象性的特点[4],能够逼真展现海洋场景中的海浪㊁海风及船舶等关键要素㊂当前对于虚拟海洋环境仿真的研究主要集中在宏观状态下的渲染模拟㊂王顺利等[5]提出一种自适应的深浅海网格模型对海浪进行模拟,郭晓非等[6]使用图标映射法和流线法将海洋环境要素可视化,R a m o s 等[7]提出一种G P U 多线程技术对海浪场景实现实时绘制㊂然而,宏观的虚拟海洋环境仿真普遍缺乏交互性,缺少个体视角对场景要素的观察互动,难以满足涉海高校海洋人才培养的需求㊂因此本文依托中国海洋大学丰富的海洋实践经验,对虚拟海洋环境仿真技术进行研究,在此基础上设计并实现了具有交互性的虚拟海洋仿真系统㊂1 海洋调查船建模及运动仿真海洋环境具有多维性㊁庞杂性的特点[8],为提高其仿真效率,需设置重点观测区域㊂本文将东方红2号海洋综合调查船作为虚拟海洋环境仿真中的主要观测Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年载体,实地采集其表面纹理和结构参数,并使用3d s M a x 软件对船体及其设备器材进行三维建模㊂构建船体及设备模型面片共74000余个,高度还原了东方红2号的船体外观及船上的起重机㊁救生艇㊁绞车等设备细节㊂船体建模效果如图1㊂图1 东方红2号三维模型F i g .1 3Dm o d e l s o f D o n g f a n g h o n g 2现实场景中船舶在海上运动时会受到周围海浪起伏的影响作用,导致船舶姿态发生改变[9]㊂本文采取一种基于浮力变化分析的船舶运动仿真方法,对在不断变化的海面环境中船舶的运动状态进行模拟㊂通过对主船体模型进行体素化,将随海浪高度变化的船体浮力通过分割出的体素矩体进行分析,从而实现对船体运动受力变化的仿真㊂体素化技术是一种将连续几何体分割为一组最接近连续对象体素的技术[10],常应用在各种复杂模型的处理中㊂本文对东方红2号主船体模型网格进行体素分割,以主船体中心为原点建立笛卡尔坐标系,生成最小坐标为(x m i n ,y m i n ,z m i n )㊁最大坐标为(x m a x ,y ma x ,z m a x )的矩体,然后分别沿x ㊁y ㊁z 轴将矩体分割成n 份,最终获得切割后的小型体素,体素的中心坐标(x i ,y j ,z k )如下:x i =x m i n +D x i +12æèçöø÷,i =0,1, ,n -1y j =y m i n +D y j +12æèçöø÷,j =0,1, ,n -1z k =z m i n +D z k +12æèçöø÷,k =0,1, ,n -1ìîíïïïïïïï㊂(1)式中:D x ㊁D y ㊁D z 分别为沿三个坐标轴的分割间隔,且D x =x m a x -x m i n ()/n ;D y =y m a x -y m i n ()/n ;D z =Z m a x -Z m i n ()/n ㊂但主船体模型不是规则的矩体,分割出的小型体素并未全部包含在船体模型网格范围内,因此在完成小型体素切割后,需对获得的体素集合进行筛选㊂本文使用射线检测法排除冗余体素,原理如下:从当前检测体素中心引出朝向主船体模型的射线,并检测碰撞点,若碰撞点为1,则保留当前体素;若碰撞点为0,则标记为冗余体素排除㊂重复以上步骤直到体素集合被遍历,完成筛选㊂完成体素筛选后,对船舶在海面所受的浮力进行分析㊂通过体素化分析,船舶所受的浮力F B 可以分解为所有体素受到的浮力F b i 的集合㊂通过比较体素中心点(x i ,y j ,z k )与同一水平位置(x i ,y j )的海面高度H 1的大小,体素所受浮力F b i可表示为:F b i =r i ρg V ㊂(2)式中:r 为当前体素的浮力系数;ρ为海水密度;V 为体素的体积㊂浮力系数r i 表示如下:r i =1,H 1-z k >L z 2H 1-z kL z2+12,H 1-z k ɤL z 20,z k -H 1>L z2ìîíïïïïïïïï ㊂(3)计算出每个体素的浮力后,通过力矩平衡可以计算出当前船舶的旋转力矩,从而实现对船舶在海面运动状态的模拟㊂系统使用R i g i d b o d y .A d d T o r q u e 函数控制船体首尾的摆动,其摆动幅度受船体所受合力矩大小的影响;使用R i g i d b o d y .A d d F o r c e 函数模拟船体的在垂直方向上的受力,其大小与方向受船体重力与浮力的影响㊂船舶的运动仿真效果如图2㊂图2 东方红2号在海浪中运动F i g .2 M o v e m e n t o f D o n g f a n g h o n g 2i n t h ew a v e s 2 海洋环境仿真技术研究2.1基于G e r s t n e r 波修正的F F T 海浪仿真海浪仿真是海洋环境仿真中的一个关键部分,是多种海洋要素仿真的基础,能极大地影响海洋环境仿真的真实感㊂常见的海浪仿真方法包括基于物理模型建模㊁几何模型建模和海浪波谱建模㊂物理模型模拟海浪计算复杂㊁耗时较长;几何模型仿真海浪真实感较差,难以充分还原真实海浪情况[11]㊂考虑到仿真效率和真实性要求,本文采用基于海浪波谱的仿真方法,使用G e r s t n e r 波模型对海浪进行仿真㊂具体实现步骤如下:211Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩 勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究(1)确定波数矢量k ң㊂在海浪仿真所需的空间网格平面x o y 上,沿x 轴和y 轴分别采样N 和M 个点㊂此时波数矢量k ң=(2πn /L x ,2πm /L y ),L x 和L y 分别代表网格平面沿坐标轴的长和宽,n ㊁m 为整数且-N /2ɤn <N /2,-M /2ɤm <M /2㊂(2)计算海面初始化高度场频谱H 0 (k ң)㊂H 0 (k ң)=1 2ε1+i ε2() φk ң()㊂(4)式中:ε1和ε2为均值方差相同(均值μ=0,方差σ2=1)㊁互相独立的高斯随机数;φk ң()为P h i l l i p s 谱,是常用于海面风浪模拟的波数谱[12],表达式为:φk ң()=A p k 4æèçöø÷k ң㊃r ң2e x p -1k 2l 2æèçöø÷㊂(5)式中:A p 为P h i l l i ps 谱常数;r ң表示风向;l 表示风速v 与海浪的关系且l =v 2/g ;g 为重力加速度㊂(3)用I F F T 算法反演空间域的海浪顶点高度H x ң,t ()㊂通过式(4)中求得的初始化高度场频谱H 0k (),计算傅里叶振幅值H k ң,t ():H k ң,t ()=H 0k ң()e x p i ωt ()+H *0(-k ң)e x p -i ωt ()㊂(6)式中:H *0是H 0k ()共轭复数;ω是角频率且ω= g k ,其中k 为波数矢量k ң的模㊂得到H k ң,t ()后,使用I F F T算法反演空间域中的海浪顶点高度㊂t 时刻海平面网格上某一点的瞬时波高H x ң,t ()表示为:H x ң,t ()=ð kH 0 (k ң,t )e x p (i k ң㊃x ң)㊂(7)式中:x ң=(x ,y )代表x o y 网格上点的坐标;x ㊁y 分别为采样点在X 轴和Y 轴的坐标数值,表示如下:x =n ㊃L x N ,-N 2ɤn <N 2y =m ㊃L y M ,-M 2ɤm <M 2ìîíïïïï ㊂(8)(4)使用G e r s t n e r 波模型对海浪顶点高度进行位移修正㊂G e r s t n e r 波模型是一种通过多个余弦波叠加而来的有限振幅波[13],适用于大范围海浪的仿真㊂相比使用正弦波海浪平稳的模拟效果,G e r s t n e r 波模拟的海浪波峰被压缩,波谷更宽,更接近真实的海浪波峰波谷情况㊂为实现对海浪受较强海风影响时浪尖受到挤压的效果模拟,根据G e r s t n e r 波模型理论,在t 时刻瞬时波高为H x ң,t ()的点坐标x ң=(x ,y )需要受到C h o p p y 波向量的位移修正,即点的真实位置坐标应当为(x ң+μD x ң,t (),H x ң,t ()),其中μ为偏移参数㊂偏移函数D (x ң,t )表示如下:D x ң,t ()=ð kk k ңH k ң,t ()e x p i k ң㊃x ң()㊂(9)(5)依据偏移修正过的海浪高度数据设置海浪网格平面,然后通过顶点着色器进行海面波纹渲染处理,实现海浪的仿真过程㊂海浪仿真效果如图3㊂图3 海浪仿真效果F i g.3 W a v e s i m u l a t i o n e f f e c t 2.2海风与风海流的粒子仿真2.2.1基于时变风速模型的海风仿真 海风的仿真对海洋学的研究和系统有着至关重要的作用,是海洋观测的重要组成部分[14]㊂系统基于粒子渲染技术,结合矢量场原理模拟三维空间中的海风轨迹,对海风的运动轨迹进行仿真㊂根据风速的变化性质,时变风速模型包含基本风㊁阵风㊁渐变风和随机风四种成分[15]㊂基本风V B 表示在一段时间内的基础风速,其值为常数㊂随机风V N 表示风速的随机变化,系统采用R a n d o m.R a n ge 函数进行模拟㊂基本风与随机风的仿真可通过简单建模完成,因此本文着重介绍阵风与渐变风的仿真过程㊂阵风V G 表示风速的突变性质,用来模拟在短时间内风速的剧烈变化㊂阵风的数学模型为:V G =0,t <t g 或t >t g +T G v g m 1-c o s 2πt -t g ()T G æèçöø÷éëêêùûúú,t g ɤt ɤt g +T G {㊂(10)式中:t 代表当前时间;v g m 代表阵风的最大风速;t g 代表阵风开始时间;T G 代表阵风周期㊂渐变风V R 表示风速在一段时间内的平稳变化,渐变风的数学模型为:V R =0,t <t r 1v r m t -t r 1()/(t r 2-t r 1),t r 1ɤt ɤt r 2v r m ,t r 2<t ìîíïïïï㊂(11)式中:t 代表当前时间;v r m 代表渐变风的最大风速,t r 1代表渐变风的开始时间,t r 2代表渐变风的结束时间㊂本文基于时变风速模型,采用粒子系统P a r t i c l eS y s t e m 对海风进行仿真㊂系统通过S t a r tD e l a y 控制粒子的延迟发射,模拟海风的开始时间;通过S t a r tS pe e d 控制粒子的发射速度,模拟海风的实时风速;通过R o t a t e()函数控制粒子的发射方向,模拟海风的风311Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年向;通过在S h a d e r 中将M a ps 设置为白色箭头,以指示海风前进方向㊂海风仿真效果如图4㊂图4 海风仿真效果F i g.4 S e a b r e e z e s i m u l a t i o n e f f e c t 2.2.2基于粒子迹线绘制的表层风海流仿真 风海流是指在风对海水的摩擦力与海面压力作用下,海水中形成的一种稳定海流[16]㊂根据‘海港水文规范“中对风海流的估算方法,近岸海区表层风海流的流速V u 可以近似为:V u =K V w ㊂(12)式中:V u 表示风海流的流速;V w 表示海面风速;K 代表流速系数,取K 的值为0.03㊂在浅海中,风海流的流向与风向的夹角较小,流向可近似为风的方向[17]㊂系统将2.1.1中的海风风速仿真结果作为输入,计算得出对应风海流的流速㊁流向与风向保持一致,并通过粒子系统进行仿真㊂粒子在场景的空间网格中按一定比例产生,并朝一定方向发射形成迹线,以模拟风海流的运动轨迹㊂在t 0时刻粒子方位表示如下:p t =p 0+ʏt 0vt()d t ㊂(13)式中:vt ()为粒子在t 时刻的运动速度;p 0为粒子发射时的初始位置;t 0代表粒子产生的时间㊂为描述风海流的运动轨迹,在粒子运动时保存其行动迹线,将粒子系统中的T r a i l s 模块的状态设置为激活,将贴图模式设置为拉伸状态S t r e t c h ,以实现粒子的拖尾效果,记录粒子的运动轨迹㊂在W i d t h O v e r T r a i l 中设置拖尾宽度随时间的变化趋势,实现对海流随时间的渐变效果模拟㊂在N o i s e 模块中设置噪声的频率与强度,以模拟实际情况下风海流的不规则运动㊂风海流仿真效果如图5所示㊂图5 风海流仿真效果F i g.5 W i n d c u r r e n t s i m u l a t i o ne f f e c t 3 交互式虚拟海洋仿真系统3.1虚拟海洋环境仿真系统架构本文基于海浪仿真和船舶运动仿真研究,结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,开发了虚拟海洋环境仿真系统㊂系统的结构可分为用户层㊁表现层㊁业务逻辑层和数据层(见图6)㊂用户层对应参与教学的用户角色,包含负责教学引导工作的教师和参与教学实验的学生;表现层包含系统各功能模块,主要有逻辑管理模块㊁用户界面模块㊁动画控制模块㊁用户交互模块㊁仿真实现模块和光学定位模块,通过组件式模块开发实现系统的低耦合度,提高系统的开发测试效率;业务逻辑层包含三维仿真逻辑和观测教学逻辑两大内容,其中三维仿真逻辑主要包含海洋环境仿真过程中的仿真算法逻辑实现,观测教学逻辑主要包括船体参观㊁海风观测和温盐深观测教学的逻辑实现;数据层对应数据存储和数据访问,包含模型数据㊁定位数据和仿真数据㊂图6 交互式虚拟海洋仿真系统结构F i g .6 S t r u c t u r e o f i n t e r a c t i v e v i r t u a lm a r i n e s i m u l a t i o n s ys t e m 3.2系统功能模块系统采用组件式架构,对特定模块的功能和数据进行封装㊂系统具体功能模块划分如下:(1)逻辑管理模块㊂逻辑管理模块主要功能是将各仿真模块按照一定的逻辑顺序组合后统一管理,并提供可与各模块通信的接口㊂逻辑管理模块中实现了系统启动运行及观测教学的逻辑设计,可设置系统的运行状态,编辑教学流程㊂在编辑界面中,可通过设置411Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩 勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究S t e p N u m 参数改变流程的步骤数量,拖动O b je c t 设置流程的步骤排序㊂在脚本中调用G e t C o m p o n e n t 函数可获取场景中对象的属性或组件,从而更改对象或组件的状态㊂通过逻辑管理模块,系统实现了教学流程构建,并设计完成了海风观测和C T D 观测的实验逻辑流程㊂(2)用户界面模块㊂用户界面(U s e r i n t e r f a c e ,U I )模块的主要功能是控制系统中U I 的状态开闭与位移旋转㊂系统使用U G U I 系统,制作了主界面登录U I 和场景中的交互U I㊂用户在登录界面登录后,可进入船舱的初始位置开始教学㊂在教学过程中,用户通过V R手柄与U I 上的按钮面板进行交互,即可触发对应的U I 事件,包括知识学习㊁教学考核㊁步骤推进等㊂通过用户界面模块,系统实现了文本㊁影音知识的教学,和教学内容的递进引导㊂(3)动画控制模块㊂动画控制模块的主要功能是控制系统中的动画播放状态㊂系统使用动画控制器A n i m a t o r C o n t r o l l e r 对动画片段C l i p s 进行管理㊂通过设置动画状态的控制参数及不同动画间转换条件,实现对不同C l i ps 的播放切换㊂系统通过动画控制器,实现了对海风观测实验中风向风速仪旋转动画,和C TD 观测实验中的C T D 下放(见图7(a ))收回㊁采水器的开闭等动画播放控制㊂(4)用户交互模块㊂用户交互模块的主要功能是设置场景中用户的手柄触发操作㊂通过V RC o n t r o l l e r 设置虚拟现实手柄的交互方式,用户在场景中可通过手柄进行近距离点按交互和远程射线交互㊂场景中可交互的物体通过标签T a g s 进行标记,当用户的手柄进入其触发范围内时,可激发物体的对应事件,如移动㊁变色㊁消失等㊂当手柄发出的射线接触到地面的传送标记(见图7(b ))时,松开扳机键可触发场景传送功能,实现用户在船舱㊁过道和甲板上的便捷传送㊂此外,通过N e t w o r k i n g 网络框架,系统可实现多终端用户间的协同交互,极大提高了系统的互动性和趣味性㊂图7 C T D 下放(a )及传送标志(b)F i g .7 P l a c i n g C T D (a )a n dm o v i n gi c o n (b ) (5)仿真实现模块㊂仿真实现模块主要负责系统中海洋环境仿真及船舶运动仿真中的运算及渲染功能㊂海浪仿真通过将计算所得网格高度值实时更新到对应的海面渲染器中,实现了对动态变化海浪的模拟㊂船舶运动仿真在物体的包围盒B o u n d s 中生成指定大小的正方体体素,通过射线检测保留在物体网格M e s h 内的体素,并实时分析每个体素与海面的位置关系,最终实现对海面船舶运动的模拟㊂海风仿真基于风速数学模型,将实时计算结果赋予粒子系统的E m i s s i o n 模块,实现对风速时变的海风模拟㊂风海流仿真在海风仿真的基础上,添加粒子拖尾迹线和随机误差,实现对海面表层风海流的模拟㊂(6)光学定位模块㊂光学定位模块主要负责场景中光学定位功能的实现㊂整个光学定位系统由12部F l e x 13摄像头组成,系统可在5mˑ6m 大空间内对多个目标的光学定位㊂视觉定位技术可以分为主动式视觉定位与被动式视觉定位[18]㊂系统采用的被动定位技术是由不同位置的相机拍摄同一场景,并通过对多幅图像中同一点的位置进行计算,来获得该点在空间内的三维坐标㊂本文定位系统使用多目立体视觉模型(见图8),其优势在于弥补了双目立体视觉定位易受环境干扰的缺陷,捕获的图像信息可以经过多次计算,可降低空间点的坐标估计误差㊂图8 多目立体视觉模型F i g.8 M u l t i -v i e ws t e r e o v i s i o n -b a s e dm o d e l 3.3基于虚拟海洋环境的观测实验3.3.1海风观测 海风观测实验使用风向风速仪(见图9(a))作为测量工具,模拟了对东方红2号顶部甲板的风速风向测量㊂在海风速测量实验中,学员通过操作手中的V R 手柄进行风速测量学习㊂实验开始后,虚拟场景中的V R 手柄将会替换为风向风速仪模型,晃动风向风速仪即可开始对场景内的风速㊁风向进行测量㊂风向风速仪的中央屏幕会显示当前位置的实时风速,单位为m /s,同时风杯旋转指示风力大小㊂风向风速仪上方的风标旋转指示风向,单位为(ʎ)㊂如图9(b)所示,学员在场景中手握风向风速仪并保持高举1m i n ,记录风向风速仪显示的平均风速和观察到的最多风向,完成风向风速测量实验㊂511Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年((a )风向风速仪,(b )应用场景㊂(a )A e r o v a n e ;(b )A p pl i c a t i o n s c e n a r i o s .)图9 海风观测F i g.9 S e a b r e e z em e a s u r e m e n t 3.3.2虚实结合的C T D 观测实验 温盐深是海洋物理学的重要参数,是海洋水文观测的基本要素[19]㊂温盐深测量仪(C o n d u c t i v i t y ,t e m p e r a t u r e ,d e p t h ,简称C T D )是海洋研究观测中的重要设备,能够精确获取水体的温盐深数据[20]㊂C T D 由水下单元㊁甲板单元和采水系统三部分组成,其主要功能是采集不同层位的海水㊂实验采用的S B E -911型C T D 采水系统,其搭载的各类高精度传感器可以采集海水的温度㊁盐度㊁压力㊁叶绿素㊁溶解氧等基础观测要素[21]㊂实验设计了C T D 观测实验,包含甲板单元介绍㊁采水单元安装㊁C T D 下放回收等内容㊂实验采用动作捕捉技术设计虚实结合的互动模式,在场景内配置了实体的C T D 采水系统,并放置多个光学M a r k 点进行标记㊂实验过程中深度相机捕获M a r k 点标志,并与M o t i v e 软件中的光学刚体端点进行匹配,将M a r k 点在现实坐标系中的坐标同步给空间坐标系中的光学刚体,然后将光学刚体坐标同步给仿真场景中对应三维模型,从而实现C T D 采水系统在现实场景与仿真场景中的状态同步㊂图10中,学员通过佩戴动作捕捉手套,可实现对现实场景和虚拟场景中C T D 采水设备的同步操作㊂虚实结合的互动方式能极大增强交互的真实感和交互性,从而提高观测实验的系统效果㊂图10 虚实结合交互F i g .10 C o m b i n a t i o n i n t e r a c t i o n o f v i r t u a l i z a t i o n a n d r e a l i t y4 结语本文将虚拟现实技术应用在海洋环境仿真中,通过船只建模及其运动仿真构建虚拟海洋环境观测载体,研究了以海浪仿真㊁海风仿真㊁海流仿真为核心的虚拟海洋环境仿真技术,并在此基础上设计实现了交互式虚拟海洋仿真系统,逼真还原了出海实践教学中海风观测和C T D 观测两大实验内容,扩展了海洋实践教学的形式,提高了海洋人才的培养质量㊂本文通过研究虚拟海洋环境仿真中的多项关键技术,实现了基于实践教学的海洋仿真交互式系统,对涉海高校实践教学的新型模式进行了探索㊂交互式虚拟海洋仿真系统在一定程度上弥补了当前高校海洋调查船难以满足人才培养需求的缺陷,避免了真实海洋实践过程中可能的安全隐患㊂虽然现阶段虚拟仿真系统无法完全取代真正的出海实践教学,但它可作为高校出海实践的有效补充,以提高教学资源的利用效率并缩短海洋人才的培训周期㊂随着海洋环境仿真技术与交互技术的进一步发展,虚拟海洋仿真技术将在高校海洋实践课程中获得更广泛的应用㊂参考文献:[1] 林昆勇.中国海洋科技创新发展的历程㊁经验及建议[J ].科技导报,2021,39(20):19-32.L i nKY .T h e c o u r s e o f i n n o v a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f C h i n a 'sm a r i n e s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y :Ar e v i e wo f e x p e r i e n c ea n dc o u n t e r m e a s u r e s [J ].S c i e n c e&T e c h n o l o g y R e v i e w ,2021,39(20):19-32.[2] 隋江华,李昕,张堂伟.海上专业虚拟仿真教学中心建设的实践探讨[J ].航海教育研究,2015,32(3):70-75.S u i JH ,L iX ,Z h a n g T W.P r a c t i c ea n dd i s c u s s i o no nt h ec o n -s t r u c t i o n o f v i r t u a l s i m u l a t i o n t e a c h i n g c e n t e r f o rm a r i n e s p e c i a l t y [J ].M a r i t i m eE d u c a t i o nR e s e a r c h ,2015,32(3):70-75.[3] 田慧娟,周立,汤均博,等.海洋实践教学观测平台的建设与应用探索[J ].实验技术与管理,2020,37(11):261-263.T i a nHJ ,Z h o uL ,T a n g JB ,e t a l .E x pl o r a t i o no nc o n s t r u c t i o n a n d a p pl i c a t i o n o f o b s e r v a t i o n p l a t f o r mf o rm a r i n e p r a c t i c a l t e a c h -i n g [J ].E x p e r i m e n t a lT e c h n o l o g y a n d M a n a ge m e n t ,2020,37(11):261-263.[4] D a n g x i a oW ,Y u a nG ,S h i y i L ,e t a l .H a p t i c d i s p l a yf o r v i r t u a l r e -a l i t y :P r og r e s sa n dch a l l e n g e s [J ].Vi r t u a lR e a l i t y &I n t e l l i ge n t H a r d w a r e ,2019,1(2):136-162.[5] 王顺利,康凤举,徐建华.通用化海浪仿真关键技术研究[J ].系统仿真学报,2017,29(2):381-386.W a n g SL .K a n g FJ,X u JH.R e s e a r c ho n g e n e r a l o c e a n s i m u l a -t i o n t e c h n o l o g y [J ].J o u r n a l o f S y s t e mS i m u l a t i o n ,2017,29(2):381-386.[6] 郭晓非,朱俊利,万剑华,等.基于C e s i u m 的海洋环境要素三维可视化研究[J ].海洋科学,2021,45(5):130-136.G u oXF ,Z h u J L ,W a n JH ,e t a l .3Dv i s u a l i z a t i o n o fm a r i n e e n -v i r o n m e n t a l e l e m e n t s b a s e d o nC e s i u m [J ].M a r i n e S c i e n c e s ,2021,45(5):130-136.[7] P u i g -C e n t e l l e sA ,R a m o sF ,R i p o l l e sO ,e ta l .V i e w -d e pe n d e n t t e s s e l l a t i o na n ds i m u l a t i o no fo c e a ns u rf a c e s [J ].T h eS c i e n t i f i c W o r l d J o u r n a l ,2014(2014):1-12.[8] 薄文波.海洋环境仿真系统的若干问题分析[J ].电子世界,2018(23):43-44.B oW B .A n a l y s i so f p r o b l e m s i n m a r i n ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n 611Copyright ©博看网. 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虚拟现实及其在海洋技术中的应用
全作业 、 优化仪器设备设计和技能技术培训等提 ２ ４海洋空间的利用 供更为有效 的手段 。 随着人 口增多 ， 经济活动的开展 ， 适合人 类 ２ ． ２海洋工 程作业模拟 活动 的空间似乎越来越小 ， 广大沿海地区表 现得 浩瀚的海洋 蕴藏着 丰富地海底 矿产资 源 ， 最为突 出。 现代海洋空间利用就是指为 了发展生 其 种类之多 、ｄ Ｉ ｌ ／之大 、 —￣ Ｖ 品位之高 ， 是陆地 同类矿 产和改善生活的需要 ， 把海上 、 海中、 海底和海岸 产无法 比拟的。但是 由于海洋特殊的环境 ， 海底 带 的空间用作 交通 、 生产 、 储藏 、 军事 、 居住 和娱 矿 产的勘探和开发要 比在陆地困难的多， 具有技 乐场所的海洋开发活动。 也就是说未来的海洋会 术密集 、 资金密集和风险大的特点。若将虚拟现 成为人们重要的生存空间， 工作、 生活、 学习和娱 实技术应用到海洋矿产的勘探开发中， 以发挥 乐等都可以在海洋中进行 。 可 那么如何使 ＾ 们了解 它强大 的优势。虚拟现实系统对开采 过程 、 生产 海洋 、 熟悉海洋 ， 克服恐惧 ， 最终融人海洋就成为 系统等进行动态三维实时模拟 ， 并允许操作人员 了人类走 向海洋 的一个关键 问题 。在对海洋 世 与系统进行交互作用 ， 实时控制各设备及生产过 界 、 海洋生活 的宣传 中， 虚拟现实技术可 以扮 演 程。 从而可 以立体、 直观 、 系统地认识整个开采作 个重要 的角色 ， 为人们展现多姿多彩 、 妙趣横 业 过程 ，以便更进一步完善开采系统的分析 、 设 生 的海洋生活 ， 解答人们关心忧虑 的问题 ， 当 充 计和优化 ， 更科学 、 合理地监控和管理生产 ， 最终 人类进入海洋 的“ 领路人” 。 经 成为 可 能 。 达 到节省资金 ， 降低风险的目的。 例如 ， 在宣传销售海底住宅时 ， 房产商可 以 虚拟现实技术 的特点在于计算机能够产生 例如 ， 某公司要开发—个海上油田。那么他 利用虚拟现实技术对其住宅及周围环境进行三 种人为虚拟的环境， 这种虚拟的环境是通过计 就可 以先建立一个 “ 海上油 田开发虚拟现实” 系 维模拟。 客户通过虚拟现实系统可 以观察住所 的 算机图形构成的三维立体空间 ， 或是把其它现实 统。 系统首先对油田所在海 区的水文、 该ห้องสมุดไป่ตู้地质 、 气 外观 、 水下环境及周 围设施等 ， 而且它还允许客 环境编制到计算机中去产生逼真 的“ 虚拟环 境” 候等建立一个三维环境模型 。 ， 该模型可 以模拟海 户“ 进入” 系统 ， 带领客户从陆地通过海底隧道 ， 从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环 上风暴、 巨浪、 海底水压、 水流速度等各种海上油 直达海底住宅 ，进入住宅内部参观室内设计 ， 允 境的感觉。这种技术 的应用 ， 了人们利用计 田作业的 自然条件 ， 改进 以测试检验工程设计的可靠 许客户通过各种交互手段控制室 内设备， 并且还 算机进行多工程数据处理的方式 ， 尤其在需要对 性和 安全性 。该 系统还可 以模拟钻井系统和过 可以就客户关心的各种问题给予形象的解答 ， 如 大量抽象数据进行处理时。同时， 它在许多不同 程 、 油系统 和过程 、 采 事故应对与处理系统和过 演示垃圾 的处理过程 ， 给水 、 供电系统出现故障 领域的应用， 可以带来巨大的经济效益。 火灾的预防和处理等等 。从而客 程等等。 这样在未实际动工前—个完整的海上油 时的应对措施 ， ２虚拟现实在海洋技术中的应用 田的开发计划就 已经立体地呈现在眼前。 开发者 户可以从方便性 、 安全性 、 可靠性 、 经济性 、 实用 以此 性 等方面充分认识 和了解海洋生活 ， 伴随着科学技术 的迅猛发展 ，伴随着当今 可 以通过与 系统的交互作用改变各种参数， 最终打消顾 人类赖 以生存 的地球陆地所面临的严重挑战 ： 人 观察油 田 作业 中的各种过程 、 各个过程的衔接与 虑 ， 接受海洋生活方式 。 口 膨胀、 环境恶化 、 资源枯竭等问题， 人们把 目光 转换和可能出现的各种情况 ， 如遭遇暴风雨 、 出 虽然人类距真正进入海 洋生活还有很 长的 投向 占 地球表面积 ７ ％的海洋。２ 世纪将是海 现井下事故等等 ， １ １ 以及相应的应对处理措施是否 段路要走 ， 但是虚拟现实技术在这方 面的 巨大 洋开发的世纪。 这个新世纪的重要标志之一就是 得 当等等， 从而保证在逻辑上、 理论上、 技术上设 作 用不容忽视 ， 其应用前景也不容小窥 。 海洋技术 ， 特别是海洋高技术 的发展。 计 出完善、 高效的生产 系统。这样经过充分 的设 ２ ． ５海洋技术的教育与培训 ２１ ．海洋技术 计、 、 论证 检验后再进行施工 ， 就可以大大降低开 海洋技术 的学科特 点 是实用性强 ， 与复杂的 海洋技术是一门主要研究为海洋科学 调查 发风险 ， 节约投入资金且提高生产效率 ， 从而可 海洋环境结合紧密 ， 理论抽象 ， 不易理解 ， 难于想 和海洋开发提供一切手段与装备的新兴学科 ， 是 以获得更大 的经济效益 。 象。 这对理论教学和技能培训提 出了挑战。 由于 当代最重大的新技术领域之一 ， 几乎涉及 当代所 与海底石油 的开采 同样 ，虚拟现实技术还 虚拟现实技术可以彻底打破时空限制 ， 能够为学 有的科学技术 ， 实际上是各种通用技术和现代最 可 以应用在其它的矿产开采工程作业中， 只需根 生提供 一个生动、 逼真的学习环境 ， 允许学生 并 新技术在海洋这个特殊环境中的应用和发展。 海 据不同的开采过程 ， 建立不同的虚拟现实系统。 成为虚拟环境中的一名参与者 ， 因此可 以将虚拟 洋技术是海洋科学发展 的必要条件， 它的每—个 ２ 新仪器设备 的开发 ． ３ 现实技７ 应用于海洋技术的教育和培训中， Ｉ 建立 重大突破 ， 都对海洋基础科学发展产生重大 的推 虚拟现实技术用于大型设施 、设备 的设计 虚拟课堂和实验室 。在虚拟课堂上 ， 学生可 以进 动作用。 和制造 已有许多成 功的实例。 把虚拟现实技术用 入 几千米以下的深海海底观看机器人 的水 下作 但是 ， 由于海洋的特殊 自然环境条件 ， 如海 于对 海洋作业 设备 的设计方 案进行 可视 化的性 业 ；可 以登上海 上平 台了解海底石油 的开采过 洋水深 、 浪大 、 海洋中高压 、 黑暗、 温等严酷条 能评估 ， 低 则更显示 出虚拟现实技术的优势 。由于 程 ；可以在几分钟 内看到地壳几千年的变化， 理 件， 给海洋研究和开发带来了很大 困难 ， 也给海 海洋 环境复杂、 水下能见度低 ， 因此对水下 设备 解各种矿藏的形成过程 ， 虚拟实验室还可以帮组 洋技术提 出了 多很高的要求 。 前 ， 许 目 世界各 国， 的设计 、 运行、 维修都提出了很高的要求。 采用虚 学生在远离海 洋的情 况下锻炼各种海上海下作 包括技术最先进 的国家 ， 对海洋的探测和开发不 拟现实技术来设计设备 ， 设计人员可以在不必制 业技能 ， 训练使用各种作业设备。 如陆地 ， 甚至太空 。许多陆地上已经成熟的技术 造样机的前提下 ，通过电脑 的三维空间图像 ， 借 为学生建立虚拟 的学习环境 ， 使学生在虚拟 却难以适 用于海洋环境 ， 须重新 改造 ， 多的 助多种交互 手段 ，直接对设备 的设计修 改和完 环境中扮演—个角色 ， 必 更 这对调动学生 的学习积极 则要创新和开拓 。 由于虚拟 现实技术的思维构想 善 ， 并在 虚拟 的海洋环境中测试其性 能， 检验其 性 ， 突破教学 的重点、 ， 难 培养学生 的技能都将 性 ， 以实现一切想象中的事物 ， 以可以利用 可靠性和安全性 。 可 所 从而大大地缩�
海洋声场建模与仿真技术研究
海洋声场建模与仿真技术研究一、引言海洋，占据着地球表面的约 71%，是一个充满神秘和未知的领域。
在海洋研究中，海洋声场建模与仿真技术作为一种重要的手段，为我们深入了解海洋的声学特性和物理过程提供了有力的支持。
海洋声场是指海洋中声波传播所形成的物理场，它受到海洋环境的多种因素影响，如海洋的深度、温度、盐度、海底地形、海洋生物等。
因此，准确地建模和仿真海洋声场对于海洋声学研究、海洋资源开发、海洋环境保护以及军事应用等领域都具有重要的意义。
二、海洋声场建模的基本原理海洋声场建模的核心是基于声波传播的物理规律。
声波在海洋中的传播可以用波动方程来描述，常见的有亥姆霍兹方程和抛物方程。
亥姆霍兹方程适用于描述小范围、高频的声波传播，而抛物方程则更适合处理大范围、低频的情况。
在建模过程中，需要考虑海洋介质的物理特性，如声速分布。
声速在海洋中并非均匀分布，而是受到温度、盐度和压力等因素的影响。
通常通过经验公式或者现场测量来获取声速的分布情况。
另外，海底地形也是影响海洋声场的重要因素。
海底的粗糙度、坡度和地质结构都会对声波的反射、折射和散射产生影响。
三、海洋声场仿真的方法（一）有限元法有限元法是一种将连续的求解域离散为有限个单元的数值方法。
通过对每个单元进行分析，然后将结果组合起来得到整个求解域的近似解。
在海洋声场仿真中，有限元法可以有效地处理复杂的边界条件和介质特性。
（二）边界元法边界元法是基于边界积分方程的数值方法，它只需要对边界进行离散化，从而减少了计算量。
对于具有规则边界的问题，边界元法具有较高的计算效率。
（三）射线理论法射线理论法将声波传播视为射线的传播，通过追踪射线的路径来计算声场。
这种方法在处理长距离传播和高频问题时具有一定的优势，但对于复杂的介质和边界条件适应性较差。
四、海洋声场建模与仿真中的关键技术（一）海洋环境数据的获取与处理准确的海洋环境数据是建模与仿真的基础。
这包括海洋的温度、盐度、深度、海底地形等数据的测量和收集。
基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化研究
基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化研究一、概要随着科技的飞速发展，虚拟地球技术已经逐渐走进了我们的生活。
在这个信息爆炸的时代，如何更好地利用这些技术来提高我们的工作效率和生活质量呢？本文将重点研究一种基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化方法，以期为我国海洋环境的保护和可持续发展提供有力支持。
在这篇文章中，我们首先会介绍虚拟地球的基本概念和技术原理，让读者对这个领域有一个初步的了解。
接下来我们将详细阐述基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化的研究方法和实现过程，包括数据的获取、处理、分析以及可视化展示等环节。
此外我们还将探讨这种方法在实际应用中可能遇到的问题和挑战，以及如何克服这些困难，使之更加完善和实用。
1. 研究背景和意义随着科技的发展，人们对海洋环境数据的可视化需求越来越高。
而传统的二维地图无法满足人们对于海洋环境数据多维度、立体化展示的需求。
因此本研究旨在探索一种基于三维虚拟地球技术的海洋环境数据动态可视化方法，以便更好地展示和分析海洋环境数据。
三维虚拟地球技术是一种将地理信息与计算机图形学相结合的技术，可以实现地理信息的立体化展示。
通过这种技术，我们可以将海洋环境数据以三维的形式呈现在用户面前，使得用户可以更加直观地了解海洋环境的状况。
同时本研究还将探讨如何利用动态效果来增强可视化效果，使得用户可以在观察到海洋环境数据的同时，感受到其变化趋势。
本研究的意义在于：首先，它可以提高人们对海洋环境数据的认识和理解；其次，它有助于政府部门制定更加科学合理的海洋环境保护政策；它还可以为海洋科研工作者提供一种新的可视化方法，有助于他们更好地开展研究工作。
2. 国内外研究现状海洋环境数据的可视化一直是一个备受关注的研究领域，因为它不仅有助于我们更好地理解和分析海洋环境，还能够帮助我们预测未来的海洋环境变化。
近年来随着科技的发展，尤其是计算机图形学和虚拟现实技术的进步，基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化研究已经成为了一个热门的研究方向。
2014年度上海海洋大学大学生创新计划项目立项公示名单(上海市级)
高峰
郭立新
讲师
副教授
45
近10年西北太平洋海表温度的空间分布与变化趋势
牛丽峰
1326111
伏玉涛(1326109)
白云艳（1326210）
王含宇（1326206）
潘灵豪（1226214）
冯永玖
副教授
46
基于不同风场资料的全球海气CO2通量研究
孙慧莹
1229208
王雪梅（1229207）
曾双(1313132)
韩冬(1411424)
何培民
教授
19
斑马鱼整体透明技术
刘倍蕾
1313308
卢奕(1313306)
王星宇(1313318)
安英杰(1313304)
冯思遥(1413518)
鲍宝龙
教授
20
浒苔多糖制备及部分生物学活性研究
唐浪浪
1313314
邱雨燕(1313101）
陈亦凡(1411215）
复合渔业生产系统中关键物种稳定性同位素特征的研究
肖利知
1229103
林静远（1229101）
王玉（1331508）
刘凯（1229241）
刘书荣（1229134）
管卫兵
副教授
36
探究临港新城和南汇地区供水管网的二次污染
李琰
1224204
高通婧（1224201）
李玉英（1224203）
张锦峰（1224220）
杨琛
讲师
62
快递自动存取机
游淑健
1327124
冯俊凯（1327233）
张泽波（1327232）
戴长宏（1127117）
俞睿（1327110）
地理信息系统的可视化与虚拟现实.pptx
它的出现彻底改变了用户和系统的交 互方式，创造了一种完全的、令人信服的幻 想式环境，人们不但可以进入计算机所产生 的虚拟世界，而且可以通过视觉、听觉、触 觉，甚至嗅觉和味觉多维地与该世界沟通。
这是一种具有巨大意义和潜力的技术， 正在迅速的发展之中。
2、VR硬件：
VR的硬件目前并不定形，主要有以下几种
(1)图像生成器：
它的作用是快速进行图形运算；
(2)操纵和控制设备：
①实现位置跟踪和控制的鼠标器，跟踪球和游戏杆； ②数据手套，其手指部分装有传感器； ③数据紧身衣； ④最新的操纵是通过眼睛和思维操纵，这是通过测定神经系统 的微小电 流来操作的；
(3)位置跟踪装置：
①机械盔甲：提供快速准确的跟踪； ②超声波传感器； ③光学位置跟踪器； ④惯性跟踪器；
3、表示方法
1）利用传统的地图符号和颜色等表示方法，如运动线表示气流、行军等路线。 2）采用定义了动态视觉变量的动态符号来表示
用闪烁、跳跃、色度、亮度变化等手段反映运动中物的矢量、数量、空间和时 间变化特征。 3）采用连续快照方法作多幅或一组地图。这是采用一系列状态对应的地图来表现时空 变化的状态。 4）地图动画
(4)立体Leabharlann 见装置：采用偏光眼镜或屏幕分割或立体镜产生图像的左右视差等手段来产生立体。
(5)头盔：产生立体图像或二维地图。
3、VR的硬件级别
1）．初级VR是以PC机或低档工作站为硬件基础；
2）．基本VR是在初级VR上，增加立体观察器，3D或6D鼠标或游 戏杆和数据手套等；
3）．高级3D是在上述基础上增加图像加速器，帧缓存等，对于PC 机则是必须增加3D加速卡和3D音卡；
电子地图（集）是一种新型的、内容广泛的GIS产品，而电子地图（集） 系统则是一些内容广泛、功能各异的新型GIS系统。
黄吴蒙-面向虚拟地球的海面动态可视化方法
5
实验与讨论
2 面向虚拟地球的海面格网组织
N(90,0)
影像 海域分布
B
max
,Lmin
B
max
,Lmax
第i层
B
W(0,-180)
min
,Lmax
分层分块
B
min
,Lmin
E(0,180)
风场
海水深度
S(-90,0) (a)虚拟地球 (b)空间数据库
第j层 (c)海面网格金字塔
[1]明德烈, 徐秋程, 李向春. 面向全球应用的海洋仿真系统的实现研究[J]. [2]Yang X, Pi X, Zeng L, et al. GPU-based real-time simulation and rendering of unbounded ocean surface[C].
5 实验与结论
纬度
������������������, ������������������, ������ + ������������, ������ + ������������, ������ + ������������
（a）当前海域的位移纹理
（b）某一时刻的海面格网
构建当前海域的位移纹理 在着色器中根据格网点的经纬度坐标 和帧率采样位移纹理得到偏移值 III. 将偏移值叠加在格网点原来的坐标上 I. II.
5 实验与结论
本文方法海面远景效果
相邻格网之间 不存在缝隙问 题 不同尺度格网 过渡平滑 海陆分界清晰
5 实验与结论
本文方法海面近景效果 投影网格法海面近景效果
实现较为精细的海 陆分界
海水覆盖陆地的问题 较难解决
全球海洋再分析数据管理及可视化技术研究
全球海洋再分析数据管理及可视化技术研究随着海洋探测仪器的发展,科研单位积累了海量海洋数据。
数据可视化技术通过把繁复抽象的数据转换为形象具体的图像,使海洋数据能够直观展现海洋环境要素场的分布特征,提高海洋数据的研究利用能力,对进一步研究海洋科学具有重要意义。
由于海洋数据日益庞大,格式种类不一,如何对其进行统一管理,实现高效三维可视化表达就显得尤为重要。
因此,本文研究多种三维可视化技术,针对数据集特征设计一种三维数据编码及管理方案,基于光线投射算法实现海洋环境要素数据三维可视化,针对该算法不足提出优化方案,设计开发海洋环境要素场的三维可视化软件系统。
首先,分析原始数据特征,针对数据集庞大冗余的特点设计了一种用于数据提取的三维数据编码及存储方法。
对原始数据进行解析剖分,分别提取四种基本海洋环境要素数据集;设计三维数据编码方案,将海洋环境要素数据的经度、纬度、深度空间位置信息统一为一组编码,减少数据冗余,便于快速定位海洋空间位置;将反映空间位置信息的三维数据编码作为索引号,各种环境要素数据作为属性值,设计数据库表结构,实现精准定位所需数据并进行快速提取,高效地组织管理海量数据。
其次,对三维数据可视化相关算法进行分析和研究,比较和总结各自的优缺点;结合海洋环境要素场的分布特征,选择光线投射算法作为可视化绘制的实现算法,重点研究其基本原理及计算过程,为其应用在海洋环境要素场可视化中奠定基础;根据海洋环境要素数据特点,利用光线投射算法实现多种类型的三维可视化显示。
再次,分析光线投射算法在海洋环境要素数据可视化应用中的不足,针对非均匀数据造成的图像失真问题,在三维场深度方向通过插值算法进行数据均匀化处理;针对重采样环节的混合体素计算误差问题,提出一种新的采样点计算方法,结合自动调整采样步长法提高重采样效率;针对图像合成环节计算低效问题,设计合适累积不透明度阈值提前终止光线投影合成过程;通过设置大量的对比实验,验证了改进方案对海洋环境要素数据可视化具有良好的优化效果。
基于Unity WebGL的海洋平台建造虚拟仿真系统
MEMORY为设定的大小。内存设定过大，易造成
内存溢出；内存设置过小，易造成程序执行缓慢。
为此，有必要设定一个合理的数值控制内存量。考
虑到Unity无法直接得知程序占用内存大小，可采
用Emscripten编译器先获取Unity堆内存的实际
图6 Unity WebGL程序内存分配
大小，再设定一个合理的数值。其中，Emscripten
Abstract: Taken Offshore Oil 981 drilling platform as an example, high-tech including WebGL technology, network technology and 3D simulation technology is integrated. The 3D digitization and virtualization of ship construction scene and hull model are carried out, the virtual simulation mock-up of ship virtual assembly is built, the dynamic matching and process information editing of ship assembly nodes are carried out, and the technology of WebGL rendering and memory allocation optimization is broken through. The network version of the virtual simulation system of marine platform construction is developed. By means of the system, the trainees can learn online, and the training operation is not limited by time and place, thus the flexibility of autonomous learning could be improved.
虚拟海浪海洋环境模拟方法及应用
虚拟海浪海洋环境模拟方法及应用杨松林;李慧蕾;李坤;严家文;任慧龙【摘要】Based on the wave theory, the simulation method of random waves and the wave data in The Pacific Northwest Waves Statistical Set written by Fang Zhongsheng, a software was developed to realize the wave virtual- ization, database interface design and preliminary simulation process of virtual waves in the marine environment. More than 3 600 copies of data tables in 80 districts in The Pacific Northwest Waves Statistical Set were all recor ded in the marine environment database. Structure strength virtual test is taken as an example to introduce the set of navigation condition and obtain the wave spectrum curve and waves surfaces motion pattern. The results show that the display technology of dynamic navigation used together with the marine environment database provides a good condition for the ship structure strength and the overall performance virtual test.%根据海浪理论及随机海浪的模拟方法和方钟圣所著《西北太平洋波浪统计集》的波浪资料,设计并编制了虚拟海浪海洋环境模拟软件,将《西北太平洋波浪统计集》的80个区块3 600份数据表的所有数据全部录入海洋环境数据库,初步完成了虚拟海浪海洋环境模拟流程和数据库界面的设计,将海浪虚拟化.以结构强度虚拟测试为例,介绍了外载定义过程船舶航行海况的设置方法,得到了海浪谱曲线和海况的波面运动图.研究结果表明:动态海况的显示技术和海洋环境数据库的配合使用,为船舶结构强度和总体性能虚拟测试提供了良好的测试环境.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(026)003【总页数】5页(P213-217)【关键词】海洋环境;随机海浪;海浪谱;虚拟海浪;结构强度【作者】杨松林;李慧蕾;李坤;严家文;任慧龙【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏现代造船技术有限公司,江苏镇江212003;中国船舶及海洋工程设计研究院,上海200011;哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】U661.1船舶在航行过程中会受到复杂多变的海洋环境因素作用,包括风、浪、流等,对这些环境因素的准确把握是船舶工程系统定量模拟的前提,其中海浪对船舶的作用往往占据主导地位,模拟海浪的真实性在很大程度上决定了模拟结果的可信性,因而海浪模拟多年来一直受到人们的普遍重视．由于海上环境的复杂,进行试验和观测费用昂贵,不易取得系统、精确的观测资料,长期以来人们利用造波机在水池中虚拟波浪．随着计算机的发展,已能通过数字虚拟来研究波浪问题．海浪的虚拟通常是通过谱来实现的．航海虚拟系统中,波浪的虚拟是一项关键技术,该技术既要满足虚拟系统对算法的实时性要求,又要使虚拟波浪的要素(波高、周期等)能和某一波浪等级基本吻合,为此,本文主要研究海洋环境的虚拟化问题:1) 以《西北太平洋波浪统计集》中数据为基础,分别采用单参数谱和双参数谱公式表达有义波高概率分布规律,编制计算软件将海浪虚拟化;2) 对于一些特殊区域,例如台湾海峡,则根据不同海洋区块在不同季节的实测波浪数据,通过数学力学方法把这些数据处理为按概率正态分布的时历和按雷利分布的波幅,并编制模拟软件实现海浪的动态显示．1 二维随机海浪虚拟原理[1-3]在实验室进行波浪模拟时,造波机、消波装置和浪高仪是水池的主要波浪模拟设备．造波机在驱动机构的带动下,通过对水体的推动模拟波浪．为了消除由造波机生成的并传播到水池另一端的波浪,阻止这些波浪返回,通常都在水池的另一端设消波装置．浪高仪又称测波仪,利用其测出的波形,可用光电示波器或磁带机记录下来,也可把波浪信号直接输入计算机中进行实时处理．但实际海面的波动是非常复杂的,海面上的波浪是由大量不同波高、不同波长、不同频率、不同传播方向及位相杂乱的波浪相互混合而呈现出的紊乱复杂现象,通常称这个随时间任意变化的波面为随机海浪．由于实验室水池深度、宽度的影响以及风洞水槽等设施的局限也会导致很多的技术难题,因此,通过数字化虚拟技术来研究波浪问题,可以实现一部分区域的海洋环境模拟．由于建立在经典流体力学基础上的波动理论解决实际海面上的随机海浪尚有一定差距,因此,目前开始研究运用谱和随机过程来描述随时间任意变化的海浪,以克服用确定的函数来描述有明显随机性的海面带来的困难．在研究二维随机海浪的波动时,仅考虑波面在Z-X平面上随时间的变化,X方向为海浪的传播方向．为简化问题,通常假定海浪是二因次的,即波浪只沿一固定方向传播,而且波峰线是无限彼此平行的,它与平面进行波不同的是波浪周期和波高是随机变化的,通常称这类不规则波浪为长峰不规则波．假定随机海浪是由许多不同波长、不同波幅的谐波叠加而成,每个谐波都有同一个前进方向．根据海浪理论,海面上每一点随机海浪的瞬时波面升高可用下式表示,其中x,t分别表示位置和时间．(1)通常定义累计谱E(ω)为E(ω)S(ω′)dω′则(2)将单参数的波能谱(图1)分别按等频率间隔离散谱和等能量离散谱模拟波面升高时历,模拟结果见图3,4.图1 ITTC单参数波能谱Fig.1 Wave energy spectrum of single parameter by ITTC图2 对应图1的累积谱Fig.2 Accumulation of the spectrum to Fig.1图3 将图1按等频率间隔离散谱模拟的波面升高时历Fig.3 Time registration of wave surface simulation in Fig.1 by the same frequency interval discrete spectrum图4 将图1按等能量离散谱模拟的波面升高时历Fig.4 Time registration of wave surface simulation in Fig.1 by the same energy interval discrete spectrum2 虚拟海洋环境数据库系统虚拟海洋环境数据库的建立主要是为舰船虚拟测试验证系统提供一个良好的测试环境,使其能在仿真的海洋环境中对舰船的结构性能和总体性能进行测试．对虚拟测试环境的构建,不仅要求具有可视化,更重要是能最大限度的模拟真实海洋环境,使虚拟海况具有一定的波长和周期,能够根据季节、风向变化而变化．文中采用基于海浪谱的线性叠加法对海浪进行仿真计算．所谓线性叠加法就是将海浪视为由多个不同振幅、不同频率、不同方向和不同随机相位的波叠加而成,其基本思想是生成一个与真实海浪具有相同谱特性的高度场．虚拟海洋环境数据库的建立结合《西北太平洋海浪数据库》[3]和“三维动态海况”显示技术,为整个测试提供一个可视化的数值模拟海洋环境．该环境按照“海洋区块分布法”将整个西北太平洋海区分为80个区块,对于任一区块,又有“春”、“夏”、“秋”、“冬”、“全年”5个季节选项和“北”、“东北”、“东”、“东南”、“南”、“西南”、“西”、“西北”、“所有”9个风向选项．通过对“海区”、“季节”、“风向”3个参数的确定,该系统根据数据库中对应海区的海浪谱统计数据,唯一确定虚拟测试的海洋环境．虚拟海洋环境数据库系统分为2个部分:海洋环境数据库和动态海况显示部分,其中,海洋环境数据库存储了西北太平洋海区的全部波浪统计数据,是构造整个数值型波浪模拟海洋环境的基础,可以方便的选择需要的测试环境．动态海况显示部分运用OpenGL三维显示技术,通过与海洋环境数据库的交互,实时显示所选虚拟海洋环境,便于查看及调整环境参数．以下是进入系统选取测试环境的流程:首先,进入“海洋环境数据库”,进行测试环境的选择(图5).数据库用户界面中,“测试环境选择”区域提供的用户操作界面用于获取用户对虚拟海洋环境的选择结果．界面上半部分用于确定虚拟海洋环境的“区块”、“季节”、“风向”3个参数,图5 海洋环境数据库Fig.5 Ocean environment database选定之后,界面下半部分会显示所选海区在相应的季节和风向状态下的波浪统计数据(图6)．界面右部为西北太平洋二维平面图,用户选定海区之后,二维平面地图上就会高亮显示相应的区块(图7)．图6 测试环境选择Fig.6 Test environment selection图7 西北太平洋二维图Fig.7 Horizontal plane of northwest pacific ocean海洋环境数据库提供了3种波浪模拟的方法用于选择,分别是:“单参数谱”、“双参数谱”、“海洋区块分布法”．将选定“海区”、“区块”、“季节”、“风向”这4个条件,点击“波浪数据模拟”按钮,选择相应的数值模拟方法,系统会在右边窗口显示概率分布表,还可以进行“有义波高”和“平均跨零周期”的修改和确定(图8,9).图8 输入有义波高Fig.8 Significant wave height input图9 概率分布曲线Fig.9 Probability distribution diagram动态海况显示模块是运用OpenGL显示技术实时显示海况信息的一个可视化模块．当海洋环境确定后,退出主界面,虚拟测试控制中心会根据选定的海洋环境参数信息,将海况信息和舰船航行状态以三维图像的形式显示出来(图10)．该部分采用由空间点z=ξ(x,y)构成的波面网格来模拟海面的波浪,其中,(x,y)是空间点水平位置,是所有组成波振幅在该点的叠加．定义大小为100×100的波面网格,用于储存每个网格点值的数组为kelvinwave[100][100],采用辛普森求积法计算出所有网格点的高度值,并存储在数组中,然后通过OpenGL绘制出船行波浪图．这种三维波浪的模拟是目前比较流行的波浪仿真方法,不仅考虑了复杂海况中的频率离散,还考虑了方向上的离散,相对于二维波浪更加真实,更符合实际情况．随机海浪的实现上每一种规则波都有一个随机相位,并且每次设定海况的波浪都不一样,体现了自然海况的随机性．与其他的波浪仿真不同的是,程序中采用了圆形的网格划分方法,球型天空背景,视景更加逼真．窗口中还会附带将波浪模拟方法、海区经度、海区纬度、季节、风向、波高等信息,在右上方的小窗体中显示出来(图11)．点击“关闭”按钮,退出三维海况显示模块,进入虚拟测试验证系统进行测试工作．图10 动态海况显示Fig.10 Display of ocean information图11 海况信息Fig.11 Information of sea aea3 船体结构强度虚拟测试应用[4-5]文中以船体结构强度虚拟测试为例,介绍在虚拟的海洋环境中利用计算机来模拟船舶在水中航行并实现船舶运动及波浪载荷的动态显示方法,以及通过布置测点、定义内外载荷进行结构应力的测试和结果实时输出的方法．使用测试软件时,要求利用外界输入设备改变海洋风浪、船舶行驶速度等,系统经过后台数据的分析计算后得出船体对当前状态的结构响应,并且能在计算机屏幕上时实的显示出来．因此,海况的虚拟是测试的前提和基础,海浪仿真的结果也将直接影响到船体结构响应数字化测试的结果．实船的结构强度试验中,首先需要在实船的各个测点布置应变片,将实船开到预定海区,然后通过应变片读出测点的应力变化并且记录下来．虚拟结构测试也是基于这样的顺序,用户可以给定海况,测试软件据此可以得到测点的应力时历,并且在图形显示窗口实时显示出来．首先,测点的布置有2种方法：可以从控制栏中拾取测点，也可以利用鼠标在样船上拾取测点．载荷的定义方法包括内载定义和外载定义两部分．其中,内载记录了各个站号的重量、吃水和纵倾角并在程序中创建了舱室数目数组、装载数组和工况号变量,并以这些变量为基础储存信息,生成文件和读取文件,满足用户多次修改保存．图12 测点布置Fig.12 Test point arangement外载定义则主要是指船舶航行海况的选择．根据前文,海浪是通过海浪谱来描述的,在系统中,用户可以通过设定P-M谱或ITTC双参数谱的有义波高和平均周期来设置样机的工作海况,完成外载定义(图13).点击海浪谱曲线的“显示”按钮,能在图形区看到所设置海况的海浪谱曲线;点击虚拟海况的“显示”按钮,能显示海浪的波面运动(图14),并且这两种操作都会将所设定海况的信息保存在指定的海浪文件中．该文件包含了海况组成波的波幅和相位,用以模拟应力时历．同时,有限元加载中的波浪载荷也是根据该文件中组成波计算得到的．图13 海浪谱曲线Fig.13 Wave spectrum curve图14 海浪波面运动Fig.14 Movement of wave surface最终通过测点测试,可以得到测试期间的应力最大值和时历文件,在应力文件的基础上,可以计算样船在测试期间的疲劳损伤度应力分布等,为系统的其他功能的实现提供必要的条件．图15 测试结果报告Fig.15 Test results report4 结论初步完成了虚拟海浪海洋环境模拟流程和数据库界面的设计,收录了整个西北太平洋海区中所有区块的不同季节和风向的波浪统计数据,而动态海况显示模块又集成了波浪环境数据的三维显示功能,同时,两者的配合使用,很好地解决了虚拟测试系统中虚拟海洋环境的问题,为虚拟测试工作提供了一个良好的数值型波浪模拟环境．参考文献(References)[1] 文圣常,余宙文.海浪理论和计算原理[M].北京:科学出版社,1985: 127-304.[2] 朱克强, 郑道昌, 周江华,等.船舶结构的波浪载荷与响应分析[J].宁波大学学报：理工版, 2004, 17(4): 454-459.Zhu Keqiang, Zheng Daochang,Zhou Jianghua, et al. Analysis on wave loads and response of ship structure[J]. Journal of Ningbo University: Natural Science and Engineering Edition, 2004, 17(4): 454-459.(in Chinese) [3] 方钟圣, 金承仪, 缪泉明. 西北太平洋波浪统计集[M]. 北京: 国防工业出版社, 1996:28-350.[4] 邱强.船舶随机波浪载荷的理性预报方法[J].中国造船, 2007, 48(2):37-44.Qiu Qiang. Rational prediction method of ship wave load in random sea[J]. Shipbuilding of China, 2007, 48(2):37-44.(in Chinese)[5] 朱世强,武星军,林健亚.海浪模拟的三维仿真研究[J].船舶工程,1999(6):7-9.Zhu Shiqiang, Wu Xingjun, Lin Jianya.3D simulation of ocean wave[J]. Ship Engineering, 1999(6):7-9.(in Chinese)。
基于数字孪生技术的海洋平台可视化技术
基于数字孪生技术的海洋平台可视化技术摘要：随着现代信息技术的不断进步，数字孪生技术在海洋平台的应用逐渐受到关注。
这种技术为海洋平台提供了一个详细的虚拟模型，能够实时反映其实际工作状态，从而提高运营效率、降低故障率和增强应变能力。
数字孪生技术不仅在陆上油田中展现了其价值，更在复杂的海上油田环境中发挥了关键作用，推动了油田企业的数字化转型。
关键词：数字孪生技术；海洋平台；数字化转型；海上油田1数字油田战略与数字孪生技术概述1.1数字油田战略我国油气对外依存度长期居高不下，国内油气勘探开发面临严峻形势。
对于海洋油气田来说，它的勘探开发逐步向深水、高温高压领域发展，增大了施工作业及设备运维难度。
大力发展无人化平台、智能化装备，能够实现跨层级的精准管控，降低海上油田生产作业成本，提高企业经济效益[1]。
我国海上油气资源丰富，近年来数字化、智能化已经成为海上油田开发的重要方向。
数字油田战略涉及勘探开发、油藏注采、设备运维及人员管理等诸多领域。
数字油田建设能够有效减少操作人员数量，降低设备故障发生率。
为加快海上油田各项业务的数字化建设，中国海洋石油集团有限公司面对新一轮信息技术发展的浪潮，积极融入并不断加强信息化建设，使得数字化项目不断深入开展，以期通过数字化转型确保企业适应新的竞争环境，并通过降本增效助力企业的高质量发展。
1.2数字孪生技术数字孪生技术由Grieves教授于2002年最早提出，是一个集成多学科、多尺度的仿真过程。
该技术目前在产品设计、工程建设等多个领域得到了一定应用，是现阶段关注度较高的智能制造技术。
Grieves教授认为，数字孪生由物理实体空间、虚拟空间以及信息数据接口3部分构成。
其中，物理实体空间是信息数据的源头，虚拟空间能够实现数据的映射，信息数据结构为二者提供数据交互通道。
数字孪生技术的核心在于通过虚拟实体的不断学习映射，提升对物理实体的高精度描述，进而达到实时仿真模拟的目的[2]。
海洋环境仿真系统的若干问题分析
海洋环境仿真系统的若干问题分析薄文波【期刊名称】《电子世界》【年(卷),期】2018(000)023【总页数】2页(P43-44)【作者】薄文波【作者单位】92859部队【正文语种】中文海洋环境仿真在海洋仪器研制、海洋工程、海上作战、演习、训练，海洋工程评估等方面的作用越来越明显。
本文基于海洋环境仿真特点，参考了美国仿真体系结构和标准，对海洋环境仿真的一些技术问题进行梳理分析。
引言：仿真技术是以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用物理效应设备为工具，借助系统对实际或设想的系统进行动态试验研究的一门综合技术。
近年来，海洋环境仿真与建模技术、信息技术、计算机技术、网络技术、软地理信息技术、图形学、多媒体技术及仿真应用领域相关技术相互交叉、融合，其研究与应用受到广泛的重视。
自1995年以来，美国国防建模与仿真办公室（DMSO）提出的高层体系结构（High Level Architecture，HLA）得到了不断发展，并日趋成熟，已成为IEEE 的正式标准，它为建模与仿真提供了一个通用的技术框架和开放的标准，更好地解决了不同类型仿真应用的互操作和可重用性问题，满足复杂大系统仿真的需要。
仿真系统也已由过去的集中、封闭仿真发展到分布、开放和交互仿真，由均匀态背景条件下的简单功能仿真发展到复杂环境条件下多对象集成系统的分布仿真。
在海洋环境仿真方面，90年代中后期，随着HLA技术的成熟，DMSO资助开发的TAOS 系统，采用模块化的组件方法将大气海洋空间环境提供给其它应用节点。
DEMO还资助MITRE等商业公司开发了基于HLA和SEDRIS技术的仿真系统，连续进行了海洋、大气和空间环境（OASE）仿真的三代开发，用于仿真动态地形、海洋、大气和太空，以演示和验证现有技术所具备的动态自然环境仿真能力和水平。
在国内，海洋环境仿真起步较晚，与美国相比还有较大差距，特别是在分布、动态、可重用等方面还有很多不足。
水下管汇安装虚拟仿真训练系统设计与实现
第 22卷第 11期2023年 11月Vol.22 No.11Nov.2023软件导刊Software Guide水下管汇安装虚拟仿真训练系统设计与实现张建兵1，2，陈从磊3，连远锋1，2，严泽枭1，2（1.中国石油大学（北京）信息科学与工程学院；2.中国石油大学（北京）石油数据挖掘北京市重点实验室，北京 102249；3.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京 100083）摘要：为满足海洋环境作业模拟与水下安装应用需求，将Vortex与Vega Prime虚拟现实平台相结合构建实时动力学虚拟仿真环境，通过对作业环境、管汇、绳索、吊钩、导向桩、ROV机器人进行物理属性与几何属性建模，设计并实现了水下管汇安装虚拟仿真训练系统。
实验运行结果表明，该系统具有高度物理真实感的实时动力学仿真效果，实现了水下管汇安装全过程仿真，沉浸感强，交互效果好，可满足水下管汇安装的训练需求；同时实现了多台联合操控管汇水下安装训练仿真，增强了训练的真实感，为水下作业提供了高度可靠的仿真平台。
关键词：水下管汇；虚拟仿真；Vortex；Vega Prime；训练评价DOI：10.11907/rjdk.231704开放科学（资源服务）标识码（OSID）：中图分类号：TP391.9 文献标识码：A文章编号：1672-7800（2023）011-0141-07Design and Implementation of Virtual Simulation Training System forSubsea Manifold InstallationZHANG Jianbing1，2， CHEN Conglei3， LIAN Yuanfeng1，2， YAN Zexiao1，2（1.College of Information Science and Engineering， China University of Petroleum；2.Beijing Key Laboratory of Petroleum Data Mining， China University of Petroleum， Beijing 102249， China；3.Sinopec Petroleum Exploration and Production Research Institute， Beijing 100083， China）Abstract：In order to meet the requirements of marine environment operation simulation and subsea installation applications， Vortex and Ve‑ga Prime virtual reality platform are combined to build a real-time dynamics virtual simulation environment. The virtual simulation training sys‑tem for subsea manifold installation is designed and implemented by physical property modeling and geometric property modeling of working environment， manifold， rope， hook， guide pile， ROV. The experimental operation results show that the system has a highly physical realistic real-time dynamic simulation effect， achieving the entire process simulation of subsea manifold installation， with strong immersion and good interaction effects， and can meet the training needs of subsea manifold installation.Besides， simulation of subsea installation training for multi‑ple joint control manifolds has been achieved， enhancing the realism of training and providing a highly reliable simulation platform for subsea operations.Key Words：subsea manifold； virtual simulation； Vortex； Vega Prime； training evaluation0 引言随着我国油气资源的开发逐步走向深水油气田，水下生产系统得到了广泛应用，已成为海洋油气开发与生产的关键装备。
虚拟现实技术在生态环境监测中的应用
虚拟现实技术在生态环境监测中的应用随着科学技术的不断发展，人类对于生态环境的保护意识也越来越强烈。
在这个趋势下，虚拟现实技术逐渐被应用于生态环境监测领域，并取得了良好的效果。
本文将探讨虚拟现实技术在生态环境监测中的应用。
一、虚拟现实技术概述虚拟现实技术是一种通过计算机模拟的方式，将用户置身于一个虚拟世界中，使用户产生身临其境的感觉。
虚拟现实技术的基本组成包括虚拟现实设备、模拟软件和模拟系统。
虚拟现实技术的应用领域主要包括游戏娱乐、医疗教育、数字仿真等。
随着新技术的不断涌现，虚拟现实技术也逐渐渗透到各行各业中，其中生态环境监测也成为了虚拟现实技术的应用领域之一。
二、虚拟现实技术在生态环境监测中的应用虚拟现实技术的应用有助于提高生态环境监测的精度和效率，具体应用场景如下：1、生态环境可视化虚拟现实技术可以将真实世界的生态环境数据转化为虚拟世界里的场景，并展示给用户。
在虚拟环境中，用户可以自由观察各种生态因素的变化情况，以及各种污染源的位置和数量。
通过虚拟环境的展示，研究人员可以更加直观地理解生态环境变化的原因和机制，以及指导生态环境保护的工作。
2、生态环境数据的仿真和分析虚拟现实技术还可以用于生态环境数据的仿真和分析。
通过对生态环境的数据进行处理和分析，可以在虚拟环境中生成对应的景观，从而观察和探讨生态环境的变化趋势。
通过虚拟仿真实验，可以模拟不同的生态环境变化情况，评估各种环境因素对生态系统的影响，以及寻找最佳的环保方案。
而这种仿真实验则具有操作简单、成本低廉等优点，且更加安全。
3、环境监测培训的虚拟化虚拟现实技术也可以用于环境监测相关培训。
通过将生态环境的实景转化为虚拟现实场景的形式，用户可以在虚拟环境中模拟真实环境监测的步骤和过程，并模拟各种环境变化的场景。
这种虚拟化的环境监测培训不仅可以提高专业人员的操作技能，还可以节省培训成本，减少培训中的安全风险。
三、虚拟现实技术在生态环境监测中的应用案例1、沙漠环境监测系统沙漠环境监测系统是国家自然科学基金重大研究计划的一个项目。
水下战场环境虚拟仿真系统
(1)海洋自然环境库，主要包括：温度，盐度，密度和声 速，水色，透明度，海流，海底等数据。
(2)作战应用产品库，主要包括：会聚区参数，中尺度特 征以及环境季节性特征化参数等。 1.3 水声环境仿真平台
水声环境仿真平台主要由水声环境并行仿真系统和作战 应用产品制作系统组成，完成舰艇作战海域三维水声战场环 境的快速、高精度仿真计算以及水声环境作战应用产品制作。
(3)水声环境仿真模型主要包括声线轨迹、声传播、噪声、 声纳探测以及决策参数提取模型等。
(4)虚拟战场环境仿真模型主要包括海浪、海底地形、声 线管束、三维数据场、环境光等可视化模型。
3 关键技术
水声环境仿真及其战场环境体可视化技术是水下战场环 境仿真系统诸多复杂技术中最为关键的 2 大部分。
—222—
可视化仿真训练平台是仿真系统与作战指挥员交互训练 的接口，主要由主控台、态势设定、二维参数分析、作战决 策、三通道可视化显示系统以及人机交互设备组成。
(1)系统主控台主要完成系统仿真过程控制，包括仿真模 型设定、系统同步、仿真进程控制、视景控制、目标跟踪与 绑定、仿真过程复现控制等。
(2) 战 场 态 势 设 定 主 要 完 成 基 于 电 子 海 图 的 战 场 态 势 的 初始化、态势编辑以及仿真过程中的动态显示，包括作战海 域、舰艇类型、位置、运动要素、海况、作战时间等。
2
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海建模课件
海面模型的应用实例
01
02
03
04
厄尔尼诺现象模拟
利用海面模型模拟厄尔尼诺现 象的发生和发展，有助于预测
未来气候变化。
海洋环流研究利用海面Fra bibliotek型模拟海洋环流运 动，有助于了解海洋环流的规
律和影响。
渔业资源评估
利用海面模型模拟鱼类的迁移 和分布，有助于评估渔业资源
的状况和开发潜力。
海洋污染监测
利用海面模型模拟污染物的扩 散和迁移，有助于监测和防治
海洋流体动力学模型的特点
海洋流体动力学模型通过数值方法模拟海洋流动，可以模拟大规模、长时间尺度的 流动过程。
模型具有高度的灵活性和可扩展性，可以根据实际需求调整模型参数和边界条件。
模型可以提供定量的预测结果，有助于理解和预测海洋环境变化。
海洋流体动力学模型的应用实例
气候模拟
利用海洋流体动力学模型模拟全球气 候变化，预测未来气候趋势。
OpenSees
使用 OpenSees 对海洋风电场进行了结构仿真分析，得到了结构的 动力响应和稳定性。
ABAQUS
使用 ABAQUS 对海洋平台进行了有限元分析，得到了结构的应力分 布和位移变化。
COMSOL Multiphysics
使用 COMSOL Multiphysics 对海洋环境中的流体流动进行了多物理 场仿真分析，得到了流体的速度场和压力场分布。
02
海面模型
海面模型的分类
有限差分模型
通过将海洋划分为网格，用差 分方程表示水流运动，计算每 个网格点的水流速度和方向。
有限元素模型
将海洋划分为一系列元素，每 个元素用节点表示，通过求解 节点处的方程来模拟水流运动 。
基于OpenGL的海洋虚拟场景显示技术研究
基于OpenGL的海洋虚拟场景显示技术研究本文基于OpenGL （Open Graphics Library）技术，通过在Microsoft Visual C++2010软件平台下编程，首先对水声通信网中运动节点的运动场景进行了仿真，包括海洋、海底的三维渲染显示;运动节点以潜艇为例，通过导入其3ds模型文件到VC++中显示，实现节点的三维显示。
另外，最后还设计实现了人机交互功能，通过鼠标按键和转动滑轮来改变观察的视角以及对运动节点运动轨迹的定制，满足了水声通信网络中显控平台的基本要求。
标签：水声通信网;三维显示;运动节点;OpenGLResearch on Display Technology of the Sea Scene Base on OpenGL Technology WANG Jian（No. 710 R&D Institute，CSIC，Yichang 443003，China）Abstract：Based on OpenGL （Open Graphics Library）technology and Microsoft Visual C + +2010 programming software platform，the thesis firstly simulate mobile nodes’activities environment which includes 3D render display of seabed、sea water and the surface of sea.Taking an example of submarine，its 3ds model file is imported into VC+ +.And its movement can be control.In addition，the interactive features are designed，which is achieved through mouse button and rotate the pulley to change the observation point and control mobile nodes’trajectories，which meet the requirements of display and control platform of underwater acoustic communication networks.Key words：Underwater Acoustic Communication Networks; Three-dimensional Display; Mobile Node; OpenGL0 引言水聲通信网由声潜标、水下自动航行的潜器、浮标或海面基站组成。
虚拟水底环境中珊瑚的可视化研究
虚拟水底环境中珊瑚的可视化研究作者：曾兰玲等来源：《软件导刊》2015年第03期摘要：目前对于动植物在陆地自然场景中的建模已经有了比较深入的研究，但是对于在水下场景中的三维建模研究还不够完善。
首先通过分析珊瑚结构并采用三维L系统对珊瑚进行建模，其次模拟水下环境建立水场模型，最后通过对真实珊瑚的有限元分析，得到较为真实的运动规律模型。
基于OpenGL库编写实现上述模型，结果显示该模型能够较好地建立珊瑚在水场中的状态，从而还原真实场景。
关键词：实时模拟；水场模型；力学模型；预先计算；珊瑚模型中图分类号：TP317.4文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）003-0137-030 引言树木在自然场景的模拟中有相当重要的地位。
在近些年对树木的动态可视化研究中，主要集中在树随风动的场景模拟。
针对植物在自然场景中的快速建模，前人已经进行了比较深入的研究[1-4]。
但目前对虚拟海洋环境中动植物的建模研究仍然较少。
由于水下环境的特殊性和复杂性，使对水生动植物建模具有一定挑战性。
目前在虚拟植物的建模过程中，主要建模方法有L系统、迭代函数[3]、分形、粒子系统[5]、基于图像法[6]等，并通过纹理映射、光照等进行后期渲染以增强真实感。
当前植物与环境的交互仿真[7，8]大多数为植物在外界风力作用下的运动仿真模拟，对于虚拟动植物在水下环境中的运动研究并不多。
因此，本文在交互式参数化建模[9，10]基础上，探索了如何利用改进的L系统实现对珊瑚建模，并利用随机函数，通过对水场模拟，实现了珊瑚动态可视化。
1 珊瑚建模珊瑚，为珊瑚虫群体或骨骼化石。
而珊瑚虫是一种海生圆筒状腔肠动物，多群居，结合成一个群体，其结构如图1所示。
珊瑚是固着的动物，不能移动，加上其外形像花、树，容易误认为是生长在海底的植物。
这也是将L系统引入珊瑚建模的原因。
珊瑚模型是真实感动画的基础，为了使在水下的受力状态具有足够的精度和较强的真实感，需要了解珊瑚的生长特点和规律。
2018年度国家虚拟仿真实验教学项目
24
陕西
西北农林科技大学
秦岭火地塘植物学综合仿真实训
姜在民
25
四川
四川大学
23价肺炎球菌多糖疫苗GMP生产制备实验
林宏辉
26
辽宁
大连海洋大学
水产经济动植物人工繁育虚拟仿真实验
王伟
27
湖北
武汉大学
病毒感染与检测虚拟仿真综合实验
郭明雄
28
北京
北京师范大学
鸟类环志虚拟仿真实验
张雁云
29
北京
北京大学
细胞动态虚拟仿真实验—被子植物双受精
仝秋红
137
辽宁
大连海事大学
船舶航行监控虚拟仿真实验项目
章文俊
138
广西
桂林电子科技大学
城市道路单点交通信号控制虚拟仿真实验项目
李文勇
139
江苏
江苏大学
车身结构耐撞性与乘员保护评价虚拟仿真实验
江浩斌
140
甘肃
兰州交通大学
数据与场景驱动的高速列车运行控制虚拟仿真实验
王阳萍
141
北京
北京交通大学
高速铁路网行车组织全过程管控一体化虚拟仿真实验
江苏
江苏师范大学
高铁列车一级检修虚拟仿真实验教学项目
邢邦圣 马军
56
江苏
南京信息工程大学
智慧工厂虚拟实训项目
张永宏
57
山西
太原理工大学
注塑成型机电液控制系统及工艺虚拟仿真实验
权龙
58
福建
福州大学
活性炭陶瓷复合材料的制备及测试虚拟仿真实验
于岩
59
江苏
东南大学
金属高压铸造技术的虚拟仿真实验