[发明专利]一种动态插值方法和海面场景生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种动态插值方法和海面场景生成方法。

背景技术

海浪的研究在现代水力学、流体力学、波浪学、计算机图形学、虚拟现实应用、雷达回波模拟等领域中凸现出重要价值。海浪模拟技术作为海浪研究的重要内容：在军事领域中应用于海战场环境仿真研究、海军战术导弹飞行控制实验、海面回波仿真、雷达成像模拟研究等，为作战平台的仿真开发、武器系统的研制奠定基础。

目前针对海浪的建模方法有很多类，但多数建模方法只针对某些具体应用需求，使得模型的侧重点有所不同。例如三维网络游戏、动画片、海战场环境仿真等应用中，模型的建立更注重实时性的要求，因而此领域将在提高实时性的前提下，增强视觉的逼真效果。对于某些工程性较强的领域，如船舶控制工程试验、海面回波仿真及对海面波浪的SAR成像仿真等应用中，则进一步要求海浪模拟的逼真程度。

目前海浪的三维仿真一般采用基于海浪谱的方法，它是采用适当的海浪谱反演方法模拟海浪，一般常采用的反演方法有线性过滤法和线性叠加法。所谓线性过滤法就是根据待模拟的海浪谱，设计出一个过滤器，在这个过滤器的一端输入某一已知的随机过程，通常采用白噪声，在另一端即可得到所需模拟的波面过程。采用此法得到的海浪与真实的海浪谱有较大误差，所以没有得到广泛应用。所谓线性叠加法就是将海浪视为由多个不同振幅、不同角频率和不同随机相位的波叠加而成，只要找到各个组成波的波幅、角频率、随机相位等要素，就可以得到这个随机过程的一次实现。这种方法物理概念清晰，计算方便快速，而且模拟结果和海浪谱非常吻合，所以利用率较高。目前，线性叠加法中应用较多的是Longuet-Higgins模型和快速傅立叶变换（FFT）法。

Mastin于1987年提出一种海水模拟的统计学模型，此模型通过快速傅立叶变换（FFT）将经验得出的海浪谱转换成海面高度场，基于快速傅立叶变化的海浪模拟是在这些波浪模拟方法中效果比较逼真的一种模拟方法。由于浪的弥散性，使叠加而成的正弦波看上去是连续的，而不仅仅是一堆不相关的正弦波的简单叠加，从而避免了形成不均匀的波浪场。由于FFT具有周期性，我们可以通过FFT变换生成一小块海域，然后拼接成较大的海面。

海浪的计算机实现需要大量的数据计算才能生成，但是由于海面仿真数据量大，计算量多，普通计算机难以逼真的完成大场景的海面实时仿真，计算的实时性是海面仿真的瓶颈。三维海浪的运动效果的真实感和实时性是两个衡量模拟效果的重要方面，在两者之间找出平衡点是十分必要的，常采用的方法有动态插值、纹理映射技术，双缓冲技术以及LOD（Levels of Detail）技术。

苏州大学陈志伟的硕士论文《基于统计模型和GPU的实时海浪模拟研究》提出以下研究论点：以快速傅里叶变换方法生成海浪表面的算法为基础，利用编程工具CUDA将FFT运算从CPU移至GPU上执行，提高了海浪高度场的生成速度。为了能够提高大规模海浪的绘制速度，该论文提出了一种利用投影网格算法进行海面网格划分的方法，来替代用来加快场景绘制的传统LOD技术，并利用环境纹理映射技术进行实时海浪绘制。本发明提出了一种采用新的动态插值方法实现海面场景的生成。

发明内容

本发明的目的是提供一种动态插值方法以实现海面场景的生成，同时提供了一种使用该动态插值方法的海面场景生成方法。

为了实现以上目的，本发明动态插值方法所采用的技术方案是：一种动态插值方法，步骤如下：

（1）将海面生成点坐标为(x，y，z)设置为与时间相关的函数：

y_i＝(x,z,t)＝A_isin(k_ix-ω_it+φ_i)cos(k_iz-ω_it+φ_i)

其中，A_i为根据输入的设定参数按照对应关系所取的仿真设定值；

T_i为设定的仿真周期，则ω_i＝1/T_i；

k_i为组成波的波数：k_i＝ω_i²/g；

为随机生成的相位角；

（2）计算任意一点处应添加的动态插值点个数N和各动态插值点对应的坐标；假定两相邻时刻分别为t₁、t₂，其计算公式如下：

N＝Int(d/l)