一种航海模拟器场景中海冰动态建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种航海模拟器场景中的海冰动态建模方法，包括以下步骤：基于四叉树空间划分技术动态管理整个海冰场；确定海冰模型状态；对于单体可破海冰模型进行动态碎冰建模。本发明将四叉树技术应用于重复模型的场景管理中，因为海冰模型的生成、破碎、消融、冻结，非常适合属性结构的存储，而且整体海冰面可以看成为单层，这就使得没必要应用更为复杂的八叉树来管理三维场景，对后续的破碎、冻结和消融等动态过程起到了前期简化的作用，这对这视景系统的实时性有了很大的提高和优化。本发明将Voronoi图算法经优化加入应用于海冰动态建模，目的使其在发生船冰碰撞时，形成破碎模型相对逼真的符合现实自然情况，增强了海冰破碎的真实感。
【专利说明】一种航海模拟器场景中海冰动态建模方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种航海场景仿真【技术领域】，涉及一种航海模拟器场景中的海冰动态建模方法。
【背景技术】
[0002]现实世界中，全球海洋约10%的区域被海冰覆盖，这包括极地海域海冰及低纬度温带地区的季节性海冰。海冰的存在给航运、海上作业、渔业和油气矿物勘采等海上行为带来了极大的不便和安全隐患。在航海模拟器中加入冰区相关航行视景，不仅完善了航海模拟器的多功能性，对相关海事领域的人员培训、海事评估及科学研究等方面都也起到了不可或缺的作用[I] [2]。
[0003]国内外的相关的研究主要集中在工程海冰数值模型的分析和应用上[3-6]，如海冰生成运移特征及物理力学性质，冰与结构相互作用的理论和试验方法，抗冰结构和海冰设计作业条件等。在国内外研究中，冰区航行视景仿真领域属于新兴学科[7-10]，其中海冰的动态建模方面仍属于探索阶段。
[0004]海冰场景的建立，不仅包括了冰区场景应有的天气情况和地形条件，其中实时高效逼真的海冰动态仿真建模一直以来都是大规模冰区场景可视化的重点和难点。因为，海冰模型区别于海洋场景中船舶、岸上建筑物以及码头堆物场等模型的建模，这些模型一旦建好，在视景场中是不发生变化的，只显示即可。现实中，海冰伴随着海洋环境下温度条件的变化，会发生冻结、融化等自然现象，而且由于风浪、船舶与海冰的交互作用，海冰会发生破碎、漂浮及堆积等现实景观。所以，对冰区场景的海冰建模仿真必须得有其相对应的实时视景呈现。现阶段的海冰模型研究中，孙昱浩[10]利用分形方法中优化后的Koch曲线和随机三角形曾对海冰建模进行了相关探索。但是该方法有以下不足:
[0005]1、虽然优化了 Koch曲线，加入了随机三角形，但最终形成的海冰可视化仍然具有一定的重复性，形成的航道边缘三角化明显，与现实的海冰相比真实性较差，影响了用户的环境真实感，而且生成方法适用性比较单一，且不能动态生成方法，局限性明显。
[0006]2、缺少整体海冰区域的场景管理，海冰模型大量重复存在，消耗了系统资源，影响了实时性。
[0007]在不影响虚拟仿真实时性的基础上，如何提高冰区视景的真实感，达到提高虚拟仿真的真实性并增强用户的沉浸感的作用和效果，是现阶段的难点。具体分析如下:
[0008]3、航海仿真领域对于自然景观的传统建模比较单一，无法满足海冰物体的破碎、冻结融化等自然现象。如果完全应用物理数学模型，时间空间资源消耗过大，不适用于实时性较高的航海模拟器。
[0009]4、由于冰区场景需要的海冰面积非常大，大量整体海冰模型的场景管理上也需要科学合理的方法，不然不仅耗费大量时间空间资源，会影响整个程序的实时性效果。
[0010]本发明涉及参考文献如下:
[0011][I]金一丞，尹勇《公约、技术与航海模拟器的发展[J]》，中国航海，2010，33(1):l-6o
[0012][2]中华人民共和国海事局译《1978年海员培训、发证和值班标准国际公约马尼拉修正案[M]》，大连海事大学出版社，2011。
[0013][3] 丁德文《工程海冰概论[M]》，北京:海洋出版社，1999。
[0014][4]季迎顺《工程海冰数值模型及应用[M]》北京:科学出版社，2011。
[0015][5]唐茂宁，刘钦政，刘煜等《渤海海冰季节演变的数值模拟[J]》海洋预报，2010，27 ⑵:48-52。
[0016][6]Lauj Michael.Preliminary Modelling of Ship Manoeuvring in Ice Usinga PMM[R].0ttawa:National Research Council Canada，2006。
[0017][7]John Tucker, Anthony Patterson, Glenn Fianderj Carl Harris,DonSpencer.Simulation and Modeling of Navigating in Ice[C].1nternationalNavigation Simulator Lecturers’ Conference(INLSC-14)，July3_7，2006。
[0018][8]Magnus Bostrom.Effective simulator training in preparation foricebreaking operations and ice management assessment[C].1nternationalNavigation Simulator Lecturers’ Conference (INLSC-16)，12_16July，2010。
[0019][9] Lubbadj R., I 0Set S.A numerical model for real-time simulation ofship -1ce interaction.Cold regions science and technology，2011，65(2)，111-127。
[0020][10]孙昱浩，尹勇，高帅，《航海模拟器中冰区视景的研究》，系统仿真学报，2012，24(1):49-53。
【发明内容】
[0021]为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种实时性和真实感更好的航海模拟器场景中的海冰动态建模方法。
[0022]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:一种航海模拟器场景中的海冰动态建模方法，包括以下步骤:
[0023]A、基于四叉树空间划分技术动态管理整个海冰场
[0024]Al、预先按四叉树的层次划分海冰场位置网格；
[0025]A2、根据船舶位置循环遍历所在海冰场各层，并判断末层叶节点是否生成；如果末层叶节点生成，则转步骤A5，否则，转步骤A3 ;
[0026]A3、若未生成末层叶节点，则创建船舶所在位置层的子节点，在视景中表现为当前层的每块海冰模型被4块子层的模型代替；
[0027]A4、直至末层叶节点生成，循环判断结束；
[0028]A5、在冰块重新冰冻阶段，逐渐从末层删除叶节点，二维上表示为化四为一，重新生成四叉树路径，此过程是A2到A4的逆过程；
[0029]B、确定海冰模型状态
[0030]B1、输入船舶运动状态，监测与船舶发生接触的海冰模型；
[0031]B2、对海冰模型进行碰撞检测，确定相互接触海冰模型的数量N，并令i=l ；
[0032]B3、计算第i个冰块的体积Vi,并判断是否大于参考体积Vlim，若大于参考体积Vlim则将该冰块模型标记为可破冰块；否则将该冰块模型标记为不可破冰块；[0033]B4、判断i是否大于N，若i不大于N，则令i=i+l，转步骤B3 ;若i大于等于N，则转步骤B5 ；
[0034]B5、将未与船舶接触的海冰和水下冰模型标记为不可破冰块，应用牛顿动力学计算海冰运动状态；
[0035]B6、将海冰对船的作用力反馈船舶运动状态并更新海冰模型状态；
[0036]C、对于步骤B中单体可破海冰模型进行动态碎冰建模
[0037]Cl、读取叶节点，将其标记为可破冰的单位海冰模型；
[0038]C2、在单位海冰模型中随机撒布种子点；
[0039]C3、根据Voronoi图的生成方法生成每个种子点的Delaunay三角形；
[0040]C4、连接Delaunay三角形的外接圆心得到对象模型表面的Voronoi多边形划分；
[0041]C5、按照Voronoi多边形划分构建碎冰模型。
[0042]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0043]1、本发明之所以将四叉树技术应用于重复模型的场景管理中，是因为海冰模型的生成、破碎、消融、冻结，非常适合属性结构的存储，而且整体海冰面可以看成为单层，这就使得没必要应用更为复杂的八叉树来管理三维场景。相比较于文献[10]中的方法，利用四叉树数据结构管理海冰场，不仅大大减少了场景中需要预加载模型的时间，优化了系统资源的消耗成本，而且其中每一个叶节点代表一个固定模式的海冰模型，叶节点的位置与海冰在整个冰场中的位置相匹配，方便了整个冰区海冰模型的动态查询和管理，对后续的破碎、冻结和消融等动态过程起到了前期简化的作用，这对这视景系统的实时性有了很大的提闻和优化。
[0044]2、因为Voronoi图的区域划分方法与现实中的物体的脆性破碎较为接近，故在物体破碎仿真方面的相关研究也是近年来的热门，但在海冰建模领域尚未有发明存在。本发明将VOTonoi图算法经优化加入应用于海冰动态建模，目的使其在发生船冰碰撞时，形成破碎模型相对逼真的符合现实自然情况，增强了海冰破碎的真实感，而且Voronoi图模型划分方法相对成熟，易用性、移植性及方法的效率都较高，保证了整个系统的高效实时性，并对后续的碎浮冰动态模拟起到了前期基础作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0045]本发明共有附图5张，其中:
[0046]图1是本发明的修改后的四叉树示意图。
[0047]图2是本发明的动态生成管理整个冰场的流程图。
[0048]图3是原方法与本发明应用四叉树动态管理方法的比较图。
[0049]图4是本发明海冰破碎流程图。
[0050]图5是本发明海冰模型应用Voronoi图方法前后对比。
【具体实施方式】
[0051]下面结合附图对本发明做进一步详细地描述:
[0052]本发明引入四叉树场景管理算法和沃罗诺伊图破冰建模算法。其中，四叉树是一种树状数据结构，其定义是:它的每个节点下至多可以有四个子节点，通常把一部分二维空间细分为四个区域并把该区域里的相关信息存入到四叉树节点中。树形结构本身是一种典型的分支结构，并且具有明显的层次特征。而且，其节点可以动态的插入(生成)、修改、删除，查询节点路径也很方便。沃罗诺伊图(Voronoi Diagram,又叫泰森多边形或Dirichlet图)是由俄国数学家Georgy Fedoseevich Voronoi建立的空间分割算法。它是由一组由连接两邻点直线的垂直平分线组成的连续多边形组成。N个在平面上有区别的点，按照最邻近原则划分平面，每个点与它的最近邻区域相关联。Voronoi图在几何学、计算机图像、机械制造、城市规划、统计学等都有广泛的应用。
[0053]本发明的具体步骤如下:
[0054]A、基于四叉树动态管理整个海冰场
[0055]本发明中对四叉树生成方法进行了一定的修改，如图1所示，每个父节点要么没有子节点，要么必须生成四个子节点。如图1所示每个叶节点代表一个单独的还冰块，生成子节点的过程即为动态生成替换不同大小海冰模型的过程。
[0056]船冰发生接触时具体方法如下:
[0057]Al、事先按四叉树的层次划分海冰场位置网格；
[0058]A2、根据船舶位置循环遍历所在海冰场各层，并判断末层叶节点是否生成；
[0059]A3、若未生成末层叶节点，则创建船所在位置层的子节点，在视景中表现为当前层的每块海冰模型被4块子层的模型代替；
[0060]A4、直至末层叶节点生成,循环判断结束。
[0061]上述流程如图2所示。在冰块重新冰冻阶段，逐渐从末层删除叶节点，二维上表示为化四为一，重新生成四叉树路径，此过程是上述生成子节点过程的逆过程，不加赘述。
[0062]如图3所示，本发明不仅大大减少了场景中需要预加载模型的时间，优化了系统资源的消耗成本，而且其中每一个叶节点代表一个固定模式的海冰模型，叶节点的位置与海冰在整个冰场中的位置相匹配，方便了整个冰区海冰模型的动态查询和管理，对后续的破碎、冻结和消融等动态过程起到了前期简化的作用。
[0063]B、确定海冰模型状态
[0064]根据船舶运动状态，监测与船舶发生接触的海冰模型并对其进行碰撞检测，如图4流程所示，将未与船舶接触的海冰和水下冰模型标记为不可破冰块，应用牛顿动力学计算海冰运动状态，最后将海冰对船的作用力反馈船舶运动状态并更新海冰状态。
[0065]C、利用Voronoi图对海冰动态建模
[0066]在对于船冰交互过程中，当船冰接触，发生海冰破碎时，应用Voronoi图方法，具体过程如下:首先读取最小单位海冰模型，在模型中随机撒布种子点；然后根据Voronoi图的生成方法生成每个种子点的Delaunay三角形,连接Delaunay三角形的外接圆心可得到对象模型表面的VOTonoi多边形划分，如图5所示，并以此作为整个系统中船冰可视化及其碰撞破碎的基础。
[0067]本发明通过VOTonoi图重新划分海冰模型块，目的使其在发生船冰碰撞时，形成破碎模型相对逼真的符合现实自然情况，而且Voronoi图模型划分方法相对成熟，易用性、移植性及方法的效率都较高，保证了整个系统的实时高效性，并对后续的碎浮冰动态模拟起到了前期基础作用。
【权利要求】
1.一种航海模拟器场景中的海冰动态建模方法，其特征在于:包括以下步骤: A、基于四叉树空间划分技术动态管理整个海冰场 Al、预先按四叉树的层次划分海冰场位置网格； A2、根据船舶位置循环遍历所在海冰场各层，并判断末层叶节点是否生成；如果末层叶节点生成，则转步骤A5，否则，转步骤A3 ； A3、若未生成末层叶节点，则创建船舶所在位置层的子节点，在视景中表现为当前层的每块海冰模型被4块子层的模型代替； A4、直至末层叶节点生成,循环判断结束； A5、在冰块重新冰冻阶段，逐渐从末层删除叶节点，二维上表示为化四为一，重新生成四叉树路径，此过程是A2到A4的逆过程； B、确定海冰模型状态 B1、输入船舶运动状态，监测与船舶发生接触的海冰模型； B2、对海冰模型进行碰撞检测，确定相互接触海冰模型的数量N，并令i=l ； B3、计算第i个冰块的体积Vi,并判断是否大于参考体积Vlim，若大于参考体积Vlim则将该冰块模型标记为可破冰块；否则将该冰块模型标记为不可破冰块； B4、判断i是否大于N，若i不大于N，则令i=i+l，转步骤B3 ;若i大于等于N，则转步骤B5 ； B5、将未与船舶接触的海冰和水下冰模型标记为不可破冰块，应用牛顿动力学计算海冰运动状态； B6、将海冰对船的作用力反馈船舶运动状态并更新海冰模型状态； C、对于步骤B中单体可破海冰模型进行动态碎冰建模 Cl、读取叶节点，将其标记为可破冰的单位海冰模型； C2、在单位海冰模型中随机撒布种子点； C3、根据Voronoi图的生成方法生成每个种子点的Delaunay三角形； C4、连接Delaunay三角形的外接圆心得到对象模型表面的Voronoi多边形划分； C5、按照Voronoi多边形划分构建碎冰模型。
【文档编号】G06T17/00GK103679803SQ201310643819
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】孙昱浩, 尹勇, 金一丞, 朱忠显, 王进成, 刘春雷, 张秀凤, 孙霄峰, 神和龙, 刘秀文, 任鸿翔, 高帅 申请人:大连海事大学