海洋虛拟场景构造及动态光影渲染关键技术研究

【摘要】伴随着“海洋强国”战略决策的提出以及虚拟现实技术的飞速发展，越来越多的海洋科学研究人员将先进的虚拟现实技术应用在海洋上，改变了人们观察和认识海洋的方式，因此海洋虚拟现实领域随之兴起并逐渐受到广泛关注。在该领域，科研工作者的主要工作之一就是最大限度的模拟真实的海洋环境，增强用户的感官感受。因此如何利用现有的海洋虚拟现实数据快速构造具有真实感、沉浸感、交互感的海洋虚拟场景，是海洋虚拟仿真研究的基础。为了能够最大限度的模拟海洋虚拟场景，必须要重点考虑提升场景真实感要素，而水体光学特效渲染就是非常重要的组成部分。在太阳照射下，整个海洋场景不同时刻会呈现不同的光影效果，随水面波动的海上光影以及海底光束等现象就是光线在海洋领域的最直观表现。而目前同时研究海上及海下光学效果的少之又少，所以本论文的研究成果具有很大的应用价值。本文针对海洋虚拟现实领域亟需解决的这两个问题，在中国海洋大学自主研发的海洋虚拟现实与可视化平台(i4Ocean)基础上，首先设计出能够将海洋三维模型数据、海洋特效数据、海洋可视化数据预处理后，统一加载，并进行交互编辑，迅速构建场景的海洋虚拟场景构造器工具。同时提出适用于海陆的动态光影绘制方法，实现海上光影渲染，海下光束动态绘制，利用场景构造器实现光影效果的的实时交互。论文的主要工作及取得的研究成果如下：1）海洋虚拟现实场景构造器(VR-Bulider)设计与实现设计一个适用于海洋虚拟现实和可视化数据编辑的场景构造器工具。该工具提供统一的数据交互操作接口，支持i4Ocean平台自定义数据格式和通用的FBX模型数据格式，对数据进行预处理；依托MVAE渲染引擎架构，支持海洋数据的仿射变换以及特殊属性编辑，快速搭建海洋虚拟现实环境。该工具便捷的实现了三维建模人员、软件开发人员以及用户的良好衔接，同时为i4Ocean基础平台的场景编辑做出了贡献。2）海上场景光影渲染技术研究与实现在已搭建好的海洋虚拟场景基础上，提出一种基于GPU的适用于海陆场景的动态光影渲染方法，并利用场景构造器实现光影的实时交互。主要基于GPU采用可编程的绘制流水线，利用较成熟的光照模型原理、阴影算法，综合考虑水面动态变化规律，进而动态渲染海面光影效果；通过VR-Builder及交互操作工具实现交互式光影设置，观察不同时刻、不同光源类型下的光影真实感绘制效果。该成果弥补了现有海洋虚拟现实领域光影技术结合不紧密的弊端。3）海下光束渲染技术研究与实现针对海洋流体的动态特征，研究海下最重要的光学现象之一，即海底光束。首先对海下光束进行建模，根据水面网格运动规律，渲染光束体；结合折射、散射、光强变化等物理模型，运用GPU并行能力快速计算光强值，进行颜色融合，最终完成海下动态光束的绘制。本文进行的海洋虚拟场景构造及动态光影渲染关键技术的研究，为自主研发的i4Ocean平台提供了场景交互编辑工具，实现了海面场景的光影渲染以及海下光束绘制。研究成果为海洋工程建设、海洋资源开发濒海(湖)城市规划等行业提供可视化服务，同时支持虚拟海洋博物馆系统建设，在海洋文化宣传领域有着不可替代的应用价值。
【作者】李娜；
【导师】陈戈；
【作者基本信息】中国海洋大学，地图学与地理信息系统，2014，硕士
【关键词】海洋虚拟场景；交互编辑；动态光影；海底光束；

【参考文献】
[1]柳百明.集团企业资金集中管理研究[D].西南交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[2]张春润.幼年黄山短尾猴社会玩耍行为研究[D].安徽大学,生态学,2013,硕士.
[3]陈卉丽.宽调速范围1.82KW永磁同步电机控制系统研制[D].湖南大学,电气工程,2014,硕士.
[4]姜盈盈.新时期小说中“傻子”叙事的狂欢化探究[D].山东师范大学,中国现当代文学,2013,硕士.
[5]吴玲兵.拟环纹豹蛛性食同类行为的影响因子及其对蜘蛛繁殖力和子代寿命的影响[D].湖北大学,生态学,2012,硕士.
[6]俞志群.卫星钟预报关键技术[D].西安电子科技大学,测试计量技术及仪器,2012,硕士.
[7]郭欢乐.雄配子选择和胞质背景差异对棉花偏分离染色体的影响[D].华中农业大学,作物遗传育种,2014,硕士.
[8]李洋.我国商业银行中小企业信贷业务法律问题研究[D].中国社会科学院研究生院,经济法（专业学位）,2014,硕士.
[9]潘源斌.嵌入式多核环境下的内核调试工具的设计与实现[D].华中科技大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[10]焦瑶.我国大型商业银行支持小微企业信贷融资问题研究[D].山东大学,金融（专业学位）,2013,硕士.
[11]段纳,解学军,刘海宽.高阶非线性系统的一个改进的控制算法(英文)[J].自动化学报,2008,10:1262-1267.
[12]吴继光.既有桥梁的模糊综合评估研究[D].内蒙古科技大学,结构工程,2013,硕士.
[13]胡建良.中英钢筋混凝土梁桥设计规范比较研究[D].重庆交通大学,建筑与土木工程（专业学位）,2012,硕士.
[14]宋健.人口发展的双线性最优控制[J].自动化学报,1980,04:241-249.
[15]骆英宏.开源软件著作权保护制度研究[D].吉林大学,法律,2013,硕士.
[16]王雷.源分离尿液中氮磷回收利用研究[D].北京建筑大学,市政工程,2013,硕士.
[17]刘利祥.我国义务教育阶段城乡教师交流政策实施研究[D].东北大学,行政管理,2009,硕士.
[18]李取勉.清代山东学校教育研究[D].湖南师范大学,中国古代史,2004,硕士.
[19]李德军.新型脂溶性鸟嘌呤衍生物的设计和合成[D].吉林大学,有机化学,2014,硕士.
[20]袁明生,张朝富.石油地质新理论、新技术、新方法的进展及在油气勘探开发中的应用[J].吐哈油气,2001,03:1-11+100.
[21]吴自强.网络游戏互动对玩家自我认同的影响[D].兰州大学,社会学,2013,硕士.
[22]庞鸿飞.伦敦奥运会中美女篮进攻技术对比研究[D].北京体育大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[23]董立卿.面向LLN的发布订阅系统仿真研究[D].北京理工大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[24]宋文兴.我国家庭联产承包责任制论略[D].安徽大学,马克思主义发展史,2013,硕士.
[25]苏日嘎拉图.蒙古族特色园林景观特征研究[D].内蒙古农业大学,园林植物与观赏园艺,2013,硕士.
[26]李升伟.张晓刚的“中国式家庭”绘画创作研究[D].华中师范大学,美术学,2014,硕士.
[27]段家铁.含氧原子氢键受体吸附树脂的合成及吸附性能[D].湖南师范大学,有机化学,2003,硕士.
[28]张静.Pt基助催化剂形貌控制合成及光催化性能的研究[D].上海电力学院,应用化学,2014,硕士.
[29]刘飞.公路WEBGIS系统的设计与实现[D].华东师范大学,地图学与地理信息系统,2004,硕士.
[30]汪浩,周俊林,严德昆,李英凡.焦炉加热微型机最优控制系统[J].自动化学报,1986,03:294-297.
[31]胡跃祥.基于环境动力试验的砖石古塔模态参数识别研究[D].扬州大学,防灾减灾工程及防护工程,2012,硕士.
[32]安玉洁.基于区间删失数据的比例风险模型中的参数估计[D].华中师范大学,概率论与数理统计,2012,硕士.
[33]胡良,魏学业,张俊红,马建光.光伏电池输出特性曲线测试与实验[J].北京交通大学学报,2015,02:122-127.
[34]靳思昌,张立民.论国家治理与国家审计边界的界定[J].审计研究,2013,01:3-8.
[35]杨春秀.高速铁路调度指挥应急响应相关问题研究[D].西南交通大学,交通运输规划与管理,2014,硕士.
[36]刘雯丽.AOD炉气路过程控制[J].冶金自动化,1993,05:50-51.
[37]孙继涛.关于区间矩阵的稳定性[J].自动化学报,1991,06:745-748.
[38]陈长园.基于项目的学习促进学生有效合作的个案研究[D].华中师范大学,现代教育技术,2014,硕士.
[39]王娜.烃基取代环戊二烯基金属羰基化合物的合成与结构研究[D].河北师范大学,有机化学,2013,硕士.
[40]张静.基于Shapley值的云南省多维度贫困分解模型及实证研究[D].云南财经大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[41]吕娜.Markov跳变系统输出反馈鲁棒预测控制[D].鲁东大学,运筹学与控制论,2013,硕士.
[42]程春林.促进水稻生产社会分工对策研究[D].西南大学,区域经济学,2014,硕士.
[43]李代甜,袁震东.双线性系统参数的集员辨识[J].控制与决策,1994,05:321-326.
[44]汪娟娟.顺应论视角下莫言《丰乳肥臀》英译本中小说对话翻译的描述性研究[D].大连海事大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[45]宿晓丹.从人权保障的角度论刑事侦查权的司法控制[D].东北大学,宪法学与行政法学,2010,硕士.
[46]齐小翠.建立基于受益税的农村公路专项基金方案研究[D].长安大学,产业经济学,2013,硕士.
[47]梁霞.废旧铅蓄电池回收物流网络布局研究[D].大连海事大学,物流工程与管理,2013,硕士.
[48]曾珍珍.锦标赛机制对矿工不安全行为的影响研究[D].中国矿业大学,产业经济学,2014,硕士.
[49]孙冀,杨学实,刘火林.变域传热发汗控制理论研究综述[J].控制与决策,2006,07:721-725+729.
[50]王颜.肢体语言在泰国小学汉语教学中的应用[D].广西师范大学,汉语国际教育,2013,硕士.