内河船舶模拟器中河流的绘制方法综述

翟小明, 尹 勇, 神和龙， 肖方兵

(大连海事大学 航海动态仿真与控制实验室， 辽宁 大连 116026)

内河船舶模拟器中河流的绘制方法综述

翟小明, 尹 勇, 神和龙， 肖方兵

(大连海事大学 航海动态仿真与控制实验室， 辽宁 大连 116026)

河流视景对提高内河船舶操纵模拟器中整个视景的逼真度有重要作用，而河流等流体的流动特性和自身复杂的物理特征一直是其可视化的难点。因此，综述国内外内河船舶模拟器的研究现状，并结合其需求查阅河流虚拟仿真建模方法方面的相关文献，对相关技术进行分类，指出相关方法的优缺点，对河流可视化方面需要研究的问题进行总结。针对内河船舶操纵模拟器中河流视景的需求，探究适合的仿真建模方法，为进一步深入研究提供理论基础。

水路运输； 模拟器； 河流； 绘制； 综述

随着内河航运快速发展，建立一支高素质内河船员队伍已成为水运发展的迫切需求。现有内河船员队伍的考核大多在实船上进行，存在高风险、高成本、长周期等缺陷。为确保内河船员队伍的质量，交通运输部海事局2007年下发了《中华人民共和国内河船舶船员实际操作考试办法》，其中第二十一条规定“经主管机关认可，考试发证机关可采用模拟器开展实际操作考试”，为利用船舶操纵模拟器进行船员实操培训和考试提供了依据。河流视景作为内河船舶操纵模拟器的组成部分之一，可明显提升整个视景的真实感。然而，现有的内河船舶操纵模拟器中的河流仍基于海洋视景中海水的生成方法建模与绘制，不能真实体现其特性。为真实地模拟河流，需整合多尺度的表面细节及河流的流动现象。因此，结合内河船舶模拟器的现状与发展趋势，通过查阅相关文献，总结流体建模与绘制的方法，探究适用内河船舶模拟器中河流建模与仿真的方法。

1 内河船舶模拟器的研究现状

国际海事组织曾在相关公约中多次强调船舶模拟器的作用，并就其在航海训练中的应用做出了明确的强制性与建议性规定。[1-2]为此,我国交通运输部海事局在2007年下发的《中华人民共和国内河船舶船员实际操作考试办法》中就使用内河模拟器训练提出了要求，以促进内河船舶模拟器的研发。内河船舶模拟器是船舶操纵模拟器的一种，其特有的特点是内河船舶模型以及内河河流视景。因此，内河船舶模拟器的研发可在航海模拟器的基础上进行，重点是内河典型的船舶数学模型的研究以及河流流体的仿真。

以计算机为核心的现代航海模拟器自20世纪70年代问世以来，经过30余年的发展，已广泛应用于教学培训、工程论证、科学研究等领域，在提高海员的综合素质、开展港航工程论证、研发综合船桥设备等众多方面产生了积极而长远的影响。目前，国外航海模拟器主要由挪威的Kongsberg公司、英国的Transas公司以及美国的Ship Analytics公司等商业性公司研制与开发。

Polaris系列船桥模拟器是Kongsberg公司的第6代产品，可分为全任务系统、多任务系统、有限任务系统和特定任务系统4类。该系列模拟器的仿真驾驶台采用了与实际设备相同或相近的设计，许多仿真设备面板与实际设备相同，整个驾驶台环境与实际船舶非常接近，具有很好的真实感；该系列模拟器的视景系统以Multigen Creator作为建模软件，三维场景数据库采用了OpenFlight格式。Ship Analytics公司的全任务船舶模拟器具有高仿真度的船桥设备，包括Radar/ARPA，GPS，Loran C等，采用六自由度的船舶数学模型。Transas公司生产的NTPRO5000模拟器的视景系统的 FOV可达到360°，采用OpenGL图形技术，动态、实时生成视景图像。该模拟器有自己的数据建模工具：Scene Editor和Model Editor；多边形地形模型可由海图数据自动生成，产生的视景数据库可由模型向导产生的数据补充；雷达图像由海图数据和地形数据获得。

以上几家公司开发的航海模拟器都符合或超出公约的各项要求，但从目前可查阅的资料分析，均未涉及内河船舶模拟器的研发。

国内航海模拟器的研发始于20世纪80年代末，以“引进、消化、自主研发”为基本路线，经过多年发展，已取得重大突破。大连海事大学V.Dragon系列模拟器视景系统配备了360°视场角的投影，场景中主要有海面、陆地、码头及其重要设施、助航设施、典型建筑物、港区的城市背景、目标船等，海面能随风向和风力的作用做相应的起伏运动，能生成不同能见度等级的雾景，能模拟日昼的连续变化以及雨、雪等，整个画面的更新速度≥30帧/s。该模拟器的视景系统以较低的成本为操纵者提供了较逼真、具有一定沉浸感的虚拟海上训练环境。

上海海事大学研制的综合船舶操纵模拟器配备了较为完整的驾驶台设备，具备雷达模拟器的全部功能。该模拟器的视景系统配备12通道360°宽视场角大屏幕投影，场景管理采用Vega Prime平台，可显示白天与夜间及各种能见度的场景，可生成海浪并反映风向、风速的影响，可模拟船舶尾迹效果。[3]武汉理工大学和集美大学也在航海模拟器研发过程中做了大量工作，取得了一定的成果。但迄今为止，内河船舶模拟器的研发仍处于起步阶段，相关研究仍集中在大连海事大学和上海海事大学等海事类科研单位，搭建的内河船舶操纵模拟器的视景系统中河流视景仍均基于海洋视景生成。由于内河航道具有流急、滩险的特点，基于海水建模方法生成的河水不能符合真实情况。因此，可提高环境真实感的内河河流视景是内河船舶操纵模拟器十分重要的研究内容,此处就河流流体仿真的研究现状和研究内容进行详细论述。

2 河流流体仿真的现状

河流作为自然界中普遍存在的一种自然流体，是流体力学领域的主要研究内容之一，同时也是虚拟现实、计算机游戏场景的重要组成部分，因此其研究受到了较大关注。在内河船舶操纵模拟器中，为提升视景系统的环境真实感，河流流体的研究主要关注3方面内容：仿真河水的动态流动效果；仿真水流与障碍物的交互碰撞效果等；仿真实时性的要求。

2.1河流流动现象的模拟

从建模方法看，河流流体模拟主要分为基于物理模型方法的模拟和基于过程方法的模拟。基于物理模型的流体模拟能够较准确地构建流体的速度场，但进行较大尺度流体模拟时需大量计算，因此通常采用基于高度场的表面过程方法模拟河流、瀑布等大尺度流体。此处对相关学者在河流可视化方面提出的研究方法进行分析和分类，指出各方法的优缺点；通过查阅与总结相关文献，引入一种河流建模方法，用于内河船舶模拟器中河流的绘制与生成。

2.1.1基于物理方法的河流流体模拟

基于物理方法的河流流体模拟主要通过求解二维浅水方程(Shallow Water Equation, SWE)[4]得到水流的速度场，进而得到水域各处的压强，把压强大小伸缩并当作第三维的数据(即当作水表面高度)后，逼真的仿真物体在水域中移动时即产生波纹或漩涡。运用物理方法能够为流体模拟提供通用的理论支持和统一的解决方法，因此基于物理方法的水体模拟已被广泛研究。冉剑等[5]介绍了一种基于物理规律的河流实时仿真方法，提出了一种Poisson圆盘分布的算法，可实现屏幕空间的合适的分布样式；采用纹理精灵的技术，可通过纹理的动态访问和纹理混合，有效地实现河流表面的渲染。运用该方法可产生渲染效果非常好的河流视景，并能够满足实时仿真的要求，但没有考虑和其他物体的交互。CHEN等[6]运用一种基于N-S方程的CFD(Computational Fluid Dynamics)方法进行了流体的模拟，忽略垂直方向的变量，将三维模拟转化为二维模拟，减少了流体模拟时的计算量，实现了实时交互模拟。该方法通过计算压力场获取流体表面的高度，可进行多种黏度流体的模拟，在改变雷诺数的情况下，实现了基于物理方法的三维流体模拟真实感绘制。由于采用显式时间积分会产生不稳定性，而采用减小时间步长的方法虽然能增强稳定性，但增加了计算量，且其是在二维域上进行的模拟，缺少深度信息，不能与准确的CFD方法相比，因此这种方法不能应用于精度要求高的工程需求中。STAM[7]提出了一种基于N-S方程的稳流模型，能够产生复杂的类似流体的流。该方法采用特征线法解N-S方程，并用隐式处理扩散定义，可保证稳定性，因此可以加大时间步长以提高模拟的速度。然而，该方法没有解决具有自由边界的流体模拟及流体与物体间的交互问题。LAYTON[8]利用浅水方程进行流体的流动模拟，解浅水方程时采用隐式半拉格朗日方法，保证了在较大时间步长的情况下算法的稳定性。然而，文中的浅水方程受限于流体为无黏度的薄层流，带有黏度的流现象和破碎波都不能被模拟。ENRIGHT等[9]基于粒子水平集方法提出的增稠面追踪方法更准确地模拟了水表面，采用的速度外推法达到了平滑移动水表面的效果。这些改进能够很容易地结合现有的N-S方程，使最终效果不仅在视觉上逼真，在物理上也更可信。然而，该方法是基于三维N-S方程求解的，计算量较大。此外，POPINET[10]首次使用八叉树数据结构进行不可压缩流的建模；LOSASSO等[11]进一步扩展了这个方法，将该方法应用于自由液面流体建模并将八叉树结构扩展为非受限的结构，优化流体模拟过程。

除了上述基于欧拉法和拉格朗日法进行的流体模拟外，很多学者也在基于粒子法流体模拟方面进行了研究。SANDER等[12]首次将SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)引入到图形学领域进行火与气态现象的模拟。MALLER等[13]基于SPH方法进行自由液面流体的模拟，利用N-S方程获取黏性流速度场和压力场，并提出一种构建表面张力的方法。KIPFER等[14]提出一种交互技术以进行基于物理的模拟，并使用SPH方法进行河流的真实渲染。该方法利用一种无网格的数据结构有效地确定相邻粒子及粒子碰撞问题，基于这种数据结构，提出一种有效分离和绘制自由液面的方法。这种方法比MC(Marching Cube)方法快，并能够利用GPU(Graphic Processing Unit)加速，可实现实时绘制。然而，采用该方法进行河流的绘制时，随着粒子数量的增加，绘制速度会大大降低。

2.1.2基于过程方法的河流流体模拟

基于过程方法的河流流体模拟把河水看作是一个由大量水粒子构成的网格，每个水粒子沿一定的速度和方向平稳推进，便可仿真出水流的动态效果。BURRELL等[15]采用流体求解器获取并解算流体与地形的交互信息，使用运动的过程化纹理来表现河流的流动，在仿真大规模河流视景中有一定代表性。SMELIK等[16]运用边界四边形的方法划分河流区域，并通过绘制Bezier曲线来描述河流的走向，把河流区域的像素投射到曲线上执行渲染。该方法摒弃了粒子系统，较好地控制了计算复杂度。PERLIN等[17]将柏林噪声应用于速度场的计算，但不能处理边界和全局流的问题。CHENNEY[18]提出一种利用瓦片式结构描述和构建流的速度场的方法，这种结构反复利用每一个小瓦片生成较大尺度流体的速度场，节省内存，因此适于场景中的大尺度流体的模拟。然而，其在进行内部瓦片填充过程中采用的是线性内插技术，尤其是在指定瓦片边缘和角落时均基于内插进行简化，而不是重新构建瓦片结构，这使得微小细节扰动流的生成过程很难模拟；而且，因为使用了方形瓦片形状，其在限制拓扑结构的同时也产生了失真。STAM[19]运用傅里叶合成方法生成了逼真的紊流速度场，但这种方法不能处理任意固体边界，需要计算和存储整个三维域，空间上不能进行人为控制。随后其又在采样点较少的情况下进行相关研究，此时不需要进行整个三维域的计算和存储，但随着采样点增多，这种方法效率会降低，且没有解决傅里叶合成域内的调幅问题。KNISS等[20]采用流函数的旋量计算流速的方法，模拟了不可压缩流，但这种方法不能处理任意边界条件的情况。BRIDSON等[21]在文献[19]的基础上，基于柏林噪声提出一种生成扰动速度场的方法，这种方法不适于具有分支和障碍物的复杂受限航道。YU等[22]改进了文献[20]和文献[21]的方法，提出一种能够模拟大规模虚拟世界中流动流体的方法，能够计算给定边界条件的局部速度场，使其在模拟河流时可处理具有复杂边界条件和分支的航道，但其在进行河流绘制时采用的是凹凸纹理技术，因此河面的波动现象并不明显，尤其是在某个特定的角度。

2.2河水与其他物体交互的模拟

根据不同的边界条件,流体可分为内部流和外部流。如果流场位于航道、管道或其他任何外部边界内，称作内部流，否则称为外部流。边界条件不同，流场和流的行为就不同，因此边界条件影响流体模拟的效果。CHEN等[6]应用N-S方程进行流体模拟时，不仅能够模拟流体表面，也能获取流体表面上点的速度场，因此在进行流体模拟时，能够模拟不同边界条件下流体表面的物体移动。然而，由于移动的物体在每次位置改变后都要更新速度，这样就增加了计算量，而且移动的物体位置的改变依赖于N-S方程中初始值的设置，不能自动地改变流体行为。 该方法模拟的流体外部边界是固定的，因此不能模拟物体撞击岸边等现象。LAYTON等[8]提出的方法在每一个时间步长都进行水流流体的速度计算，因此可以进行水表面漂流物体的模拟。FOSTER等[23]提出一种组合隐式表面和无质量标记粒子混合流体体积建模方法，在模拟和控制三维流体模拟方面做出了重要贡献。该方法通过制定流体中移动物体的合理边界条件、使用有效的迭代法解压力方程，并在粒子和隐式表面发展方程中使用时间步长次循环机制，减少了流体速度和压力因采用较大半拉格朗日稳流时间步长而产生的可视化错误。由于GPU的并行计算能够解决CPU在处理计算问题时存在的一些限制，因此近年来很多学者开始利用GPU的优越性能处理流体模拟时的计算问题。但是，GPU编程的灵活性欠佳，大部分都是在二维进行简单的边界条件处理。LIU等[24]利用GPU的并行性和可编程性及半拉格朗日算法解N-S方程，使得能够处理二维和三维环境中的任意复杂边界条件障碍物的流动模拟。此方法高效快速，能够处理中等规模问题的实时模拟，但受限于图形卡的纹理内存，并不适于大规模的流场模拟。

2.3河水表面纹理移动的模拟

为真实地体现河流流体运动表面的视觉效果，且不增加模拟时间，可采用纹理映射的方式。但是，为流动的流体添加纹理是件复杂的事情，因为在流体流动的过程中，其表面的纹理会变形。粒子系统作为一种在三维计算机图形学中模拟一些特定的模糊现象的技术被广泛应用于动画模拟。目前，在计算机图形学应用中，通常采用在移动的粒子上附加微小图元或用spryticles进行渲染的方式。粒子因其局部可控、输出反馈复杂、能够增强真实感等特性，被图形工作者广泛应用。[25]文献[22]在运动的粒子上附加微小图元模拟流动的流体，创建了真实的纹理映射后的河流。文献[16]通过计算到河道边界的距离控制投影的河道像素点，沿着河流的贝塞尔曲线进行纹理映射，在增加一个时间依赖的偏移后，使得纹理能够平滑地沿着河流曲线移动。NARAIN等[26]利用速度噪声合成湍流，合成的湍流能够在大尺度流体上产生动态流体效果，并能够增强气体和自由液面流体流动的视觉真实感。

另外一种可视化流体的方法是随着速度场平移纹理，其中在河流可视化方面，文献[5]和文献[22]都是在求解速度场的基础上将纹理叠加到粒子上，使粒子随速度场运动，这种方法能够很好地应用于大尺度河流模拟，但存在不能体现三维细节、交互困难等问题。以上文献都是采用欧拉法进行纹理平移，基本思想是利用速度场平移纹理。文献[15]基于拉格朗日的方法进行纹理平移，与文献[24]相比，其在进行纹理合成的过程中，使用的是全局能量最小化机制，保持了大尺度特征，会增加计算量。但该方法可以局部适应良好细节，减少了计算量。VAN[27]提出Tiled Directional Flow算法用于绘制港口内水面，整个算法在Shader中执行，充分利用了GPU的并行机制，加速了整个算法，最终实现与流动方向相关的视觉逼真效果。

3 内河模拟器中河流仿真方法探究

内河船舶模拟器作为一种实际应用的仿真模拟器，不仅关注环境的真实感，更注重仿真的实时性。综合上述河流流体建模与仿真方法，结合文献[5，15-18，22-23]，引入一种基于过程法的河流仿真方法，将流函数应用到河流速度场求解，并利用泊松圆盘分布的算法，控制屏幕空间的分布样式。该算法生成的粒子用于表达河流的速度场，进而仿真河流表面；采用经噪声扰动的河流真实纹理，通过叠加泊松圆盘产生的粒子，更真实地模拟河流表面。河流视景生成总体而言可分为3步。

1. 求解给定边界的河流速度场。这是整个河流仿真中最基本、最重要的环节。

2. 生成泊松圆盘分布采样粒子，以实现屏幕空间的均匀采样，利用该算法生成的河流粒子，更直接体现河流流动效果。

3. 为真实地表达河流表面，采用经柏林噪声扰动的纹理。

算法实施的具体流程见图1。

图1 河流仿真算法实施流程

4 结 语

在阅读流体可视化相关文献的基础上，对国内外学者所做的工作进行了总结。目前，国内外用于河流流体生成、绘制的理论和方法主要分为基于物理模型的方法和基于过程的方法。针对河流可视化，基于物理模型的方法能够更准确地描述流体的运动和表面细节，但计算量大，因此很难达到实时绘制。基于过程的方法构建河流表面能够减少计算量，达到实时绘制的目的，可用于仿真训练系统的可视化，但精度不够，不能应用于精度要求很高的工程模拟。针对内河船舶操纵模拟器视景系统，河流视景应至少满足大尺度、实时性、交互性的需求。为满足这些需求，在进行内河船舶模拟器中河流的绘制时，综合考虑基于物理模型的方法和基于过程法的技术，引入一种基于过程法的河流建模与绘制方法。结合航海模拟器现有的研发成果，开发出能应用于内河船舶操纵模拟器的河流视景系统。

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ReviewonMethodsofRenderingofRiversinInlandRiverShipSimulator

ZHAIXiaoming,YINYong,SHENHelong,XIAOFangbing

(Marine Dynamic Simulation and Control Lab, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

River scene is important for improving fidelity of the whole scene in inland shiphandling simulator. But the feature of flowing and complex physical characteristics is a challenge in visualization. So the present situation of inland river shiphandling simulator at home and abroad is reviewed. Based on demand, consulted literature on methods of river visualization, the relative technologies are classified, the advantages and disadvantages of various technologies are pointed out, and the problems on researching river visualization summarized finally. Especially aiming at demand on river scene in inland river shiphandling simulator, simulation methods are tried to find out properly, and basic theory for further researching is provided.

waterway transportation; simulator; river; rendering; overview

2014-06-25

国家973计划项目(2009CB320805)；中央高校基本科研业务费专项资金(3132013302;3132013007;3132013009)

翟小明(1985—)，男，吉林榆树人，博士生，主要研究方向为虚拟现实技术，视景仿真技术。E-mail:zhxm106@163.com

尹 勇(1969—)，男，湖北郧县人，教授，博士生导师，主要研究方向为航海仿真技术、实时图形算法、虚拟现实技术、多通道视觉系统等。E-mail:bushyin@163.com

1000-4653(2014)03-0041-05

U666.158

A