虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究
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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 A
53(7):111~117
J 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)07-111-07
D 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 p
l 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 o
f 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 g
r 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 g
h 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3400m
2
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㊂
1 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
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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1
㊂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 m
a 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 -1ìîíïï
ïïïïï㊂(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 ρ
g 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 k
L z
2+12,H 1-z k ɤL z 20,z k -H 1>L z
2
ìîíïï
ï
ïï
ïïï 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2
㊂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 2
i 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:
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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 ң
㊂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 /2ɤ
n <N /2,-M /2ɤm <M /2
㊂(2)计算海面初始化高度场频谱H 0 (k ң)
㊂H 0 (k ң)=1 2
ε1+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 p
s 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 0
k (),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 k
H 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 2
ìîíïïïï 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 k
k k ң
H 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3
㊂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 g
e 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÷éëêêùû
úú,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 ìîíïï
ïï㊂(
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 e
S 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 t
S p
e 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3
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向;通过在S h a d e r 中将M a p
s 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4
㊂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0.03
㊂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 0
vt
()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 n
e 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 y
s 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
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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 j
e 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 I
㊂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 p
s 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 T
D 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 g
i 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㊂
5
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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 p
l 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 y
4 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:
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V i r t u a l 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
H a nY o n g1,2,H u a n g J i a c h e n1,M aC h u n y o n g1,2,Y a n g J i e1,2,C h e nG e1,2
(1.F a c u l t y o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266000,C h i n a;2.T h e L a b o r a t o r y
f o rR e
g i o n a l O c e a n o g r a p
h y a n dN u m e r
i c a lM o d e l i n g,P i l o tN a t i o n a l L a b o r a t o r y f o rM a r i n e S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y(Q i n g d-a o),Q i n g d a o266237,C h i n a)
A b s t r a c t: V i r t u a lm 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 i so f g r e a t s i g n i f i c a n c e t ou n d e r s t a n da n dr e s e a r c h o c e a n.T h e p a p e r u t i l i z e d v i r t u a l r e a l i t y a n d v i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y t o r e s e a r c h t h e s i m u l a t i o n o f w a v e, s e a b r e e z e,w i n d c u r r e n t a n d s o m e o t h e r k e y t e c h n o l o g i e s i n v i r t u a lm a r i n e e n v i r o n m e n t,a n d d e v e l o p e d a n i n t e r a c t i v e v i r t u a l o c e a n s i m u l a t i o n s y s t e mb a s e do n t h e r e s e a r c h r e s u l t s.C o m b i n e dw i t h t h e a b u n-d a n tm a r i n e p r a c t i c a l t e a c h i n g e x p e r i e n c e o f O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,t h e D o n g f a n g h o n g2m a r i n e s u r-v e y v e s s e l w a sm o d e l e d i n t h r e e d i m e n s i o n s,a n d i t sm o v e m e n t o n t h e s e aw a s s i m u l a t e d b y v o x e l a n a l y-s i sm e t h o d.I n t h i sw a y,a v i r t u a lm a r i n e e n v i r o n m e n t o b s e r v a t i o n c a r r i e rw a s c o n s t r u c t e d.T h e s y s t e m d e s i g n e d o b s e r v a t i o n e x p e r i m e n t s b a s e d o n p r a c t i c e t e a c h i n g o fm a r i n e r e l a t e d s p e c i a l t y,r e s t o r i n g t h e s e a b r e e z em e a s u r e m e n t a n d C T Dm e a s u r e m e n t.I n t h i s w a y,i t c a n e f f e c t i v e l y a l l e v i a t e t h e s h o r t a g e o f t e a c h i n g r e-s o u r c e s i n r e l a t e d u n i v e r s i t i e s,a n d s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e t r a i n i n g q u a l i t y o fm a r i n e t a l e n t s.
K e y w o r d s: v i r t u a l o c e a n;s e aw a v es i m u l a t i o n;s h i p s i m u l a t i o n;o b s e r v a t i o ne x p e r i m e n t;p r a c t i c a l t e a c h i n g
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