一种漂移模型的海面三维可视化系统的制作方法

本发明属于虚拟现实应用领域，具体涉及一种漂移模型的海面三维可视化系统。

背景技术：

在高速的发展的现代社会，随着中国经济的迅速发展，中国对海洋的需求越来越大。但是人们对海洋的依赖也导致一系列问题，最大的问题就是海难发生以后的海上搜救工作。因为海洋的面积太大，海上天气多变，风向变幻不定，这给海上搜救工作带来了很大的困难。目前还没有好的海上搜救系统。漂移模型的海面三维可视系统作为一种新型的海面三维可视化系统，目的是通过海难发生的初始信息，迅速的通过系统做出正确的搜救决定，从而提高海难的生存率。

但是，目前虚拟现实主要应用于陆上场景的模拟，对于海洋信息的模拟，尤其是海上搜救方面的模拟目前还没有，因此这个发明在海上搜救方式上是一种创新。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能根据海难发生的漂移模型的海面三维可视化系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括场景管理模块，数据管理模块，海面高度图模块，路径生成模块，天空盒模块：

数据管理里模块统一处理来自不同输入途径的环境数据和模型数据，然后将处理后的数据分发至路径生成模块和海面高度图模块；

场景管理模块对场景进行管理，负责场景中对象的组织和光源与摄像机属性设置，然后将漂浮物的移动轨迹，海面三角形的移动和天空盒的位置分别发送至路径生成模块，海面高度图模块和天空盒模块；

海面高度图模块对数据管理模块传递的风速及风向信息生成高度图；

天空盒模块对场景管理模块传递的天空盒的位置成海面的天空；

路径生成模块对数据管理模块传递的漂浮物的位置计算出漂移物在指定时间的位置；

绘制模块结合路径生成模块提供的位置信息和海面高度图模块以及天空盒模块的信息，绘制出海面三维场景。

所述海面高度图采用基于扰动的海浪谱建模方法进行海面高度图的建模。

所述绘制模块采用基于简单光照的光线跟踪算法对整个场景进行渲染绘制。

所述海面三维可视化系统需要通过计算的出漂移模型。

所述的漂移模型的一般形式为：D(W,O,T,Φ,K,σ)，其中，W表示风属性，O表示流属性，T表示物体属性，Φ表示随机事件，K表示漂移起始类型，σ表示误差估计。

所述的漂移的位置公式为：

$X\left(t\right)-X\left(0\right)={\∫}_0^t{V}_a\left(t^{\′}\right){\mathrm{dt}}^{\′}={\∫}_0^t{V}_o\left(t^{\′}\right)+V_w\left(t^{\′}\right){\mathrm{dt}}^{\′}.$

本发明的有益效果在于：

本发明具有考虑信息全面，进而使场景模拟还原真实场景，从而提高搜救成功率的优点；是因为漂移模型的海面三维可视化系统需要对风属性，洋流属性，物体属性，随机事件，漂移起始类型和误差估计进行考虑，如此多因素的考虑使场景还原的更加真实，使搜救成功率可以保持的更高。同时这个系统还有很大的扩展性，既可以单独作为一个漂浮模型的海面三维可视化系统，又可以结合卫星定位，电子海图做成一个大型的具有多功能的海事系统。

附图说明

图1系统各模块的关系示意图；

图2可视系统的框架图；

图3漂移模型计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

数据管理里模块统一处理来自不同输入途径的环境数据和模型数据，然后将处理后的数据分发至路径生成模块和海面高度图模块；场景管理模块对场景进行管理，负责场景中对象的组织和光源与摄像机属性设置，然后将漂浮物的移动轨迹，海面三角形的移动和天空盒的位置分别发送至路径生成模块，海面高度图模块和天空盒模块；海面高度图模块对数据管理模块传递的风速及风向信息生成高度图；天空盒模块对场景管理模块传递的天空盒的位置成海面的天空；路径生成模块对数据管理模块传递的漂浮物的位置计算出漂移物在指定时间的位置；绘制模块结合路径生成模块提供的位置信息和海面高度图模块以及天空盒模块的信息，绘制出海面三维场景。最后做出正确的搜救决定。

所述海面高度图采用基于扰动的海浪谱建模方法进行海面高度图的建模。

所述绘制模块采用基于简单光照的光线跟踪算法对整个场景进行渲染绘制。

图1出示了一个实施例中的漂移模型的海面三维可视化系统，包括以下步骤：

在步骤S01中，对环境数据和模型数据进行采集，并输入数据管理模块进行处理。

在步骤S02中，数据管理模块对输入的环境数据和模型数据进行统一处理，并将处理好的数据分发至路径生成模块和海面高度图模块。

在步骤S03中，场景管理模块管理复杂组织系统的整个场景，场景中所有物体位置的设置和移动都需要场景管理模块来辅助进行，包括路径生成模块中漂浮物的移动，海面高度图中海面三角形的移动，天空盒模块中天空盒位置等。场景管理模块主要负责场景中对象的组织和光源与摄像机属性的设置。场景管理模块使用OSG引擎提供的场景树对场景对象进行管理。摄像机、光源以及漂浮物等作为等同的对象来对待。

在步骤S04中，海面高度图模块，主要负责高度图的生成。根据数据输入模块传递来的风速及风向等信息，调用基于扰动的海浪谱建模方法生成高度图。高度图生成后，海面以三角形网格的形式进行组织。每个三角形都通过一个Geometry对象来保存几何信息。高度图保存的数据最后会传递个Geometry对象。Geometry对象每个都对应一个Geode节点，Geode节点作为树的叶子节点生成一颗便是海面的场景树，该海面场景树作为场景管理模块中的一个子树。

在步骤S06中，天空盒模块，责海面上天空的生成。天空盒可分为圆形天空盒和方形天空盒。本系统采用圆形天空盒。圆形天空盒可以有效的避免平面接缝处图形变形现象。但是圆形天空盒需要更多的三角形进行模拟，方形天空盒共五个平面只需十个三角形即可得到。天空盒生成后同样需要加入到场景管理模块来确定在场景中所处的位置。

在步骤S07中，绘制模块使用基于简单光照的光线跟踪算法对整个场景进行渲染绘制，最后生成呈现在屏幕上的一帧帧图形。路径生成模块首先获取来自数据管理模块的环境数据。然后根据飘移模型计算出飘移物在指定时间的位置。将位置信息传递给场景管理模块，有场景管理模块复杂在指定位置生成对象。

图2中显示的是漂移模型的可视化系统的设计框架图：

在步骤S08中，预先对输入数据进行采集。其中在输入信息中，主要包括环境条件，飘移初始数据和海浪建模数据。环境条件主要包括风速流速的实时数据；飘移初始数据主要包括飘移起始的时间位置等；海浪建模数据包括海浪高度图的高度数据，为了保证系统的运行速度，我们对高度图采取每30帧采样一次的策略。

在步骤S09中，对模型进行计算。模型计算主要流程为随机事件模拟，为了表示各个不同飘移物的属性，我们使用多个粒子的随机抽样来表示物体。流程的计算和风致飘移的计算都加入随机事件的扰动

在步骤S010中，获得漂移的最终位置。在获取飘移物位置信息后，我们对首先根据粒子最终的位置，划定物体的最后位置并且在该位置对其进行绘制。

图3显示了使用蒙特卡洛方法漂移模型的计算过程：

在步骤S11中，首先获取输入粒子的个数；

在步骤S12中，根据起始位置时间初始化粒子；

在步骤S13中，根据相关数据计算粒子漂移速度。其中相关数据包括扰动风场的数据和扰动流场的数据；

在步骤S14中，根据所有粒子的位置划定最终的漂移区域。