虛擬海洋環(huán)境仿真關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究

韓 勇, 黃家琛, 馬純永, 楊 杰,陳 戈

(1. 中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)部, 山東 青島 266000;2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 區(qū)域海洋動力學(xué)與數(shù)值模擬功能實驗室, 山東 青島 266237)

在海洋科學(xué)及技術(shù)類專業(yè)中,出海實踐是專業(yè)學(xué)習(xí)的重要組成部分。出海實踐的教學(xué)內(nèi)容包含理論知識學(xué)習(xí)、儀器設(shè)備操作、海洋觀測實驗等內(nèi)容,是培養(yǎng)涉海專業(yè)人才的必要環(huán)節(jié)。但由于教學(xué)船只緊張、設(shè)備費用昂貴及培訓(xùn)周期長等問題[1],許多涉海高校無法開展出海實踐課程,難以滿足涉海專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)需求。

目前中國隸屬于高等學(xué)校的海洋調(diào)查船大多需要承擔(dān)繁重的科研任務(wù),難以滿足廣大高校涉海專業(yè)學(xué)生的實踐教學(xué)需求,難以保證涉海人才的培養(yǎng)質(zhì)量。因此在船時不足的條件下,一些涉海高校積極尋找新的海洋實踐教學(xué)方案。大連海洋大學(xué)為涉海專業(yè)建立了虛擬仿真實驗教學(xué)中心,采用模擬設(shè)備與三維仿真相結(jié)合的方式實現(xiàn)了駕駛模擬、輪機(jī)工程模擬和船舶仿真等實訓(xùn)內(nèi)容[2]。江蘇海洋大學(xué)建立了占地面積3 400 m2的海洋工程技術(shù)研究中心,并配有多種常規(guī)海洋儀器和大型海洋儀器,使涉海專業(yè)學(xué)生能在學(xué)校內(nèi)完成和實踐教學(xué)相關(guān)的訓(xùn)練課程[3]。然而,采用搭建真實場景模擬海上實踐環(huán)境的方式仍舊存在著場景搭建成本高昂、后期維護(hù)復(fù)雜等問題,而且以室內(nèi)培訓(xùn)為主的教學(xué)方式很難還原真實的海洋實踐教學(xué)環(huán)境,導(dǎo)致教學(xué)過程缺乏沉浸感,影響教學(xué)效果。

虛擬海洋環(huán)境仿真以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為核心,融合海洋相關(guān)學(xué)科知識內(nèi)容,對一定范圍內(nèi)的海洋環(huán)境及其相關(guān)要素在視、聽、觸等方面進(jìn)行還原。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有沉浸性、交互性、想象性的特點[4],能夠逼真展現(xiàn)海洋場景中的海浪、海風(fēng)及船舶等關(guān)鍵要素。當(dāng)前對于虛擬海洋環(huán)境仿真的研究主要集中在宏觀狀態(tài)下的渲染模擬。王順利等[5]提出一種自適應(yīng)的深淺海網(wǎng)格模型對海浪進(jìn)行模擬,郭曉非等[6]使用圖標(biāo)映射法和流線法將海洋環(huán)境要素可視化,Ramos等[7]提出一種GPU多線程技術(shù)對海浪場景實現(xiàn)實時繪制。然而,宏觀的虛擬海洋環(huán)境仿真普遍缺乏交互性,缺少個體視角對場景要素的觀察互動,難以滿足涉海高校海洋人才培養(yǎng)的需求。因此本文依托中國海洋大學(xué)豐富的海洋實踐經(jīng)驗,對虛擬海洋環(huán)境仿真技術(shù)進(jìn)行研究,在此基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)了具有交互性的虛擬海洋仿真系統(tǒng)。

1 海洋調(diào)查船建模及運動仿真

海洋環(huán)境具有多維性、龐雜性的特點[8],為提高其仿真效率,需設(shè)置重點觀測區(qū)域。本文將東方紅2號海洋綜合調(diào)查船作為虛擬海洋環(huán)境仿真中的主要觀測載體,實地采集其表面紋理和結(jié)構(gòu)參數(shù),并使用3dsMax軟件對船體及其設(shè)備器材進(jìn)行三維建模。構(gòu)建船體及設(shè)備模型面片共74 000余個,高度還原了東方紅2號的船體外觀及船上的起重機(jī)、救生艇、絞車等設(shè)備細(xì)節(jié)。船體建模效果如圖1。

圖1 東方紅2號三維模型Fig.1 3D models of Dongfanghong 2

現(xiàn)實場景中船舶在海上運動時會受到周圍海浪起伏的影響作用,導(dǎo)致船舶姿態(tài)發(fā)生改變[9]。本文采取一種基于浮力變化分析的船舶運動仿真方法,對在不斷變化的海面環(huán)境中船舶的運動狀態(tài)進(jìn)行模擬。通過對主船體模型進(jìn)行體素化,將隨海浪高度變化的船體浮力通過分割出的體素矩體進(jìn)行分析,從而實現(xiàn)對船體運動受力變化的仿真。

體素化技術(shù)是一種將連續(xù)幾何體分割為一組最接近連續(xù)對象體素的技術(shù)[10],常應(yīng)用在各種復(fù)雜模型的處理中。本文對東方紅2號主船體模型網(wǎng)格進(jìn)行體素分割,以主船體中心為原點建立笛卡爾坐標(biāo)系,生成最小坐標(biāo)為(xmin,ymin,zmin)、最大坐標(biāo)為(xmax,ymax,zmax)的矩體,然后分別沿x、y、z軸將矩體分割成n份,最終獲得切割后的小型體素,體素的中心坐標(biāo)(xi,yj,zk)如下:

(1)

式中:Dx、Dy、Dz分別為沿三個坐標(biāo)軸的分割間隔,且Dx=(xmax-xmin)/n;Dy=(ymax-ymin)/n;Dz=(Zmax-Zmin)/n。

但主船體模型不是規(guī)則的矩體,分割出的小型體素并未全部包含在船體模型網(wǎng)格范圍內(nèi),因此在完成小型體素切割后,需對獲得的體素集合進(jìn)行篩選。本文使用射線檢測法排除冗余體素,原理如下:從當(dāng)前檢測體素中心引出朝向主船體模型的射線,并檢測碰撞點,若碰撞點為1,則保留當(dāng)前體素;若碰撞點為0,則標(biāo)記為冗余體素排除。重復(fù)以上步驟直到體素集合被遍歷,完成篩選。

完成體素篩選后,對船舶在海面所受的浮力進(jìn)行分析。通過體素化分析,船舶所受的浮力FB可以分解為所有體素受到的浮力Fbi的集合。通過比較體素中心點(xi,yj,zk)與同一水平位置(xi,yj)的海面高度H1的大小,體素所受浮力Fbi可表示為:

Fbi=riρgV。

(2)

式中:r為當(dāng)前體素的浮力系數(shù);ρ為海水密度;V為體素的體積。浮力系數(shù)ri表示如下:

(3)

計算出每個體素的浮力后,通過力矩平衡可以計算出當(dāng)前船舶的旋轉(zhuǎn)力矩,從而實現(xiàn)對船舶在海面運動狀態(tài)的模擬。系統(tǒng)使用Rigidbody.AddTorque函數(shù)控制船體首尾的擺動,其擺動幅度受船體所受合力矩大小的影響;使用Rigidbody.AddForce函數(shù)模擬船體的在垂直方向上的受力,其大小與方向受船體重力與浮力的影響。船舶的運動仿真效果如圖2。

2 海洋環(huán)境仿真技術(shù)研究

2.1 基于Gerstner波修正的FFT海浪仿真

海浪仿真是海洋環(huán)境仿真中的一個關(guān)鍵部分,是多種海洋要素仿真的基礎(chǔ),能極大地影響海洋環(huán)境仿真的真實感。常見的海浪仿真方法包括基于物理模型建模、幾何模型建模和海浪波譜建模。物理模型模擬海浪計算復(fù)雜、耗時較長;幾何模型仿真海浪真實感較差,難以充分還原真實海浪情況[11]。考慮到仿真效率和真實性要求,本文采用基于海浪波譜的仿真方法,使用Gerstner波模型對海浪進(jìn)行仿真。具體實現(xiàn)步驟如下:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(5)依據(jù)偏移修正過的海浪高度數(shù)據(jù)設(shè)置海浪網(wǎng)格平面,然后通過頂點著色器進(jìn)行海面波紋渲染處理,實現(xiàn)海浪的仿真過程。海浪仿真效果如圖3。

圖3 海浪仿真效果Fig.3 Wave simulation effect

2.2 海風(fēng)與風(fēng)海流的粒子仿真

2.2.1 基于時變風(fēng)速模型的海風(fēng)仿真 海風(fēng)的仿真對海洋學(xué)的研究和系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用,是海洋觀測的重要組成部分[14]。系統(tǒng)基于粒子渲染技術(shù),結(jié)合矢量場原理模擬三維空間中的海風(fēng)軌跡,對海風(fēng)的運動軌跡進(jìn)行仿真。

根據(jù)風(fēng)速的變化性質(zhì),時變風(fēng)速模型包含基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)四種成分[15]。基本風(fēng)VB表示在一段時間內(nèi)的基礎(chǔ)風(fēng)速,其值為常數(shù)。隨機(jī)風(fēng)VN表示風(fēng)速的隨機(jī)變化,系統(tǒng)采用Random.Range函數(shù)進(jìn)行模擬。基本風(fēng)與隨機(jī)風(fēng)的仿真可通過簡單建模完成,因此本文著重介紹陣風(fēng)與漸變風(fēng)的仿真過程。

陣風(fēng)VG表示風(fēng)速的突變性質(zhì),用來模擬在短時間內(nèi)風(fēng)速的劇烈變化。陣風(fēng)的數(shù)學(xué)模型為:

(10)

式中:t代表當(dāng)前時間;vgm代表陣風(fēng)的最大風(fēng)速;tg代表陣風(fēng)開始時間;TG代表陣風(fēng)周期。

漸變風(fēng)VR表示風(fēng)速在一段時間內(nèi)的平穩(wěn)變化,漸變風(fēng)的數(shù)學(xué)模型為:

(11)

式中:t代表當(dāng)前時間;vrm代表漸變風(fēng)的最大風(fēng)速,tr1代表漸變風(fēng)的開始時間,tr2代表漸變風(fēng)的結(jié)束時間。

本文基于時變風(fēng)速模型,采用粒子系統(tǒng)Particle System對海風(fēng)進(jìn)行仿真。系統(tǒng)通過Start Delay控制粒子的延遲發(fā)射,模擬海風(fēng)的開始時間;通過Start Speed控制粒子的發(fā)射速度,模擬海風(fēng)的實時風(fēng)速;通過Rotate()函數(shù)控制粒子的發(fā)射方向,模擬海風(fēng)的風(fēng)向;通過在Shader中將Maps設(shè)置為白色箭頭,以指示海風(fēng)前進(jìn)方向。海風(fēng)仿真效果如圖4。

圖4 海風(fēng)仿真效果Fig.4 Sea breeze simulation effect

2.2.2 基于粒子跡線繪制的表層風(fēng)海流仿真 風(fēng)海流是指在風(fēng)對海水的摩擦力與海面壓力作用下,海水中形成的一種穩(wěn)定海流[16]。根據(jù)《海港水文規(guī)范》中對風(fēng)海流的估算方法,近岸海區(qū)表層風(fēng)海流的流速Vu可以近似為:

Vu=KVw。

(12)

式中:Vu表示風(fēng)海流的流速;Vw表示海面風(fēng)速;K代表流速系數(shù),取K的值為0.03。在淺海中,風(fēng)海流的流向與風(fēng)向的夾角較小,流向可近似為風(fēng)的方向[17]。系統(tǒng)將2.1.1中的海風(fēng)風(fēng)速仿真結(jié)果作為輸入,計算得出對應(yīng)風(fēng)海流的流速、流向與風(fēng)向保持一致,并通過粒子系統(tǒng)進(jìn)行仿真。粒子在場景的空間網(wǎng)格中按一定比例產(chǎn)生,并朝一定方向發(fā)射形成跡線,以模擬風(fēng)海流的運動軌跡。在t0時刻粒子方位表示如下:

(13)

式中:v(t)為粒子在t時刻的運動速度;p0為粒子發(fā)射時的初始位置;t0代表粒子產(chǎn)生的時間。為描述風(fēng)海流的運動軌跡,在粒子運動時保存其行動跡線,將粒子系統(tǒng)中的Trails模塊的狀態(tài)設(shè)置為激活,將貼圖模式設(shè)置為拉伸狀態(tài)Stretch,以實現(xiàn)粒子的拖尾效果,記錄粒子的運動軌跡。在WidthOverTrail中設(shè)置拖尾寬度隨時間的變化趨勢,實現(xiàn)對海流隨時間的漸變效果模擬。在Noise模塊中設(shè)置噪聲的頻率與強(qiáng)度,以模擬實際情況下風(fēng)海流的不規(guī)則運動。風(fēng)海流仿真效果如圖5所示。

圖5 風(fēng)海流仿真效果Fig.5 Wind current simulation effect

3 交互式虛擬海洋仿真系統(tǒng)

3.1 虛擬海洋環(huán)境仿真系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于海浪仿真和船舶運動仿真研究,結(jié)合中國海洋大學(xué)豐富的海洋實踐教學(xué)經(jīng)驗,開發(fā)了虛擬海洋環(huán)境仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為用戶層、表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層(見圖6)。用戶層對應(yīng)參與教學(xué)的用戶角色,包含負(fù)責(zé)教學(xué)引導(dǎo)工作的教師和參與教學(xué)實驗的學(xué)生;表現(xiàn)層包含系統(tǒng)各功能模塊,主要有邏輯管理模塊、用戶界面模塊、動畫控制模塊、用戶交互模塊、仿真實現(xiàn)模塊和光學(xué)定位模塊,通過組件式模塊開發(fā)實現(xiàn)系統(tǒng)的低耦合度,提高系統(tǒng)的開發(fā)測試效率;業(yè)務(wù)邏輯層包含三維仿真邏輯和觀測教學(xué)邏輯兩大內(nèi)容,其中三維仿真邏輯主要包含海洋環(huán)境仿真過程中的仿真算法邏輯實現(xiàn),觀測教學(xué)邏輯主要包括船體參觀、海風(fēng)觀測和溫鹽深觀測教學(xué)的邏輯實現(xiàn);數(shù)據(jù)層對應(yīng)數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)訪問,包含模型數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)。

圖6 交互式虛擬海洋仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of interactive virtual marine simulation system

3.2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)采用組件式架構(gòu),對特定模塊的功能和數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。系統(tǒng)具體功能模塊劃分如下:

(1)邏輯管理模塊。邏輯管理模塊主要功能是將各仿真模塊按照一定的邏輯順序組合后統(tǒng)一管理,并提供可與各模塊通信的接口。邏輯管理模塊中實現(xiàn)了系統(tǒng)啟動運行及觀測教學(xué)的邏輯設(shè)計,可設(shè)置系統(tǒng)的運行狀態(tài),編輯教學(xué)流程。在編輯界面中,可通過設(shè)置StepNum參數(shù)改變流程的步驟數(shù)量,拖動Object設(shè)置流程的步驟排序。在腳本中調(diào)用GetComponent函數(shù)可獲取場景中對象的屬性或組件,從而更改對象或組件的狀態(tài)。通過邏輯管理模塊,系統(tǒng)實現(xiàn)了教學(xué)流程構(gòu)建,并設(shè)計完成了海風(fēng)觀測和CTD觀測的實驗邏輯流程。

(2)用戶界面模塊。用戶界面(User interface,UI)模塊的主要功能是控制系統(tǒng)中UI的狀態(tài)開閉與位移旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)使用UGUI系統(tǒng),制作了主界面登錄UI和場景中的交互UI。用戶在登錄界面登錄后,可進(jìn)入船艙的初始位置開始教學(xué)。在教學(xué)過程中,用戶通過VR手柄與UI上的按鈕面板進(jìn)行交互,即可觸發(fā)對應(yīng)的UI事件,包括知識學(xué)習(xí)、教學(xué)考核、步驟推進(jìn)等。通過用戶界面模塊,系統(tǒng)實現(xiàn)了文本、影音知識的教學(xué),和教學(xué)內(nèi)容的遞進(jìn)引導(dǎo)。

(3)動畫控制模塊。動畫控制模塊的主要功能是控制系統(tǒng)中的動畫播放狀態(tài)。系統(tǒng)使用動畫控制器Animator Controller對動畫片段Clips進(jìn)行管理。通過設(shè)置動畫狀態(tài)的控制參數(shù)及不同動畫間轉(zhuǎn)換條件,實現(xiàn)對不同Clips的播放切換。系統(tǒng)通過動畫控制器,實現(xiàn)了對海風(fēng)觀測實驗中風(fēng)向風(fēng)速儀旋轉(zhuǎn)動畫,和CTD觀測實驗中的CTD下放(見圖7(a))收回、采水器的開閉等動畫播放控制。

圖7 CTD下放(a)及傳送標(biāo)志(b)Fig.7 Placing CTD (a) and moving icon (b)

(4)用戶交互模塊。用戶交互模塊的主要功能是設(shè)置場景中用戶的手柄觸發(fā)操作。通過VR Controller設(shè)置虛擬現(xiàn)實手柄的交互方式,用戶在場景中可通過手柄進(jìn)行近距離點按交互和遠(yuǎn)程射線交互。場景中可交互的物體通過標(biāo)簽Tags進(jìn)行標(biāo)記,當(dāng)用戶的手柄進(jìn)入其觸發(fā)范圍內(nèi)時,可激發(fā)物體的對應(yīng)事件,如移動、變色、消失等。當(dāng)手柄發(fā)出的射線接觸到地面的傳送標(biāo)記(見圖7(b))時,松開扳機(jī)鍵可觸發(fā)場景傳送功能,實現(xiàn)用戶在船艙、過道和甲板上的便捷傳送。此外,通過Networking網(wǎng)絡(luò)框架,系統(tǒng)可實現(xiàn)多終端用戶間的協(xié)同交互,極大提高了系統(tǒng)的互動性和趣味性。

(5)仿真實現(xiàn)模塊。仿真實現(xiàn)模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)中海洋環(huán)境仿真及船舶運動仿真中的運算及渲染功能。海浪仿真通過將計算所得網(wǎng)格高度值實時更新到對應(yīng)的海面渲染器中,實現(xiàn)了對動態(tài)變化海浪的模擬。船舶運動仿真在物體的包圍盒Bounds中生成指定大小的正方體體素,通過射線檢測保留在物體網(wǎng)格Mesh內(nèi)的體素,并實時分析每個體素與海面的位置關(guān)系,最終實現(xiàn)對海面船舶運動的模擬。海風(fēng)仿真基于風(fēng)速數(shù)學(xué)模型,將實時計算結(jié)果賦予粒子系統(tǒng)的Emission模塊,實現(xiàn)對風(fēng)速時變的海風(fēng)模擬。風(fēng)海流仿真在海風(fēng)仿真的基礎(chǔ)上,添加粒子拖尾跡線和隨機(jī)誤差,實現(xiàn)對海面表層風(fēng)海流的模擬。

(6)光學(xué)定位模塊。光學(xué)定位模塊主要負(fù)責(zé)場景中光學(xué)定位功能的實現(xiàn)。整個光學(xué)定位系統(tǒng)由12部Flex13攝像頭組成,系統(tǒng)可在5 m×6 m大空間內(nèi)對多個目標(biāo)的光學(xué)定位。視覺定位技術(shù)可以分為主動式視覺定位與被動式視覺定位[18]。系統(tǒng)采用的被動定位技術(shù)是由不同位置的相機(jī)拍攝同一場景,并通過對多幅圖像中同一點的位置進(jìn)行計算,來獲得該點在空間內(nèi)的三維坐標(biāo)。本文定位系統(tǒng)使用多目立體視覺模型(見圖8),其優(yōu)勢在于彌補(bǔ)了雙目立體視覺定位易受環(huán)境干擾的缺陷,捕獲的圖像信息可以經(jīng)過多次計算,可降低空間點的坐標(biāo)估計誤差。

圖8 多目立體視覺模型Fig.8 Multi-view stereo vision-based model

3.3 基于虛擬海洋環(huán)境的觀測實驗

3.3.1 海風(fēng)觀測 海風(fēng)觀測實驗使用風(fēng)向風(fēng)速儀(見圖9(a))作為測量工具,模擬了對東方紅2號頂部甲板的風(fēng)速風(fēng)向測量。在海風(fēng)速測量實驗中,學(xué)員通過操作手中的VR手柄進(jìn)行風(fēng)速測量學(xué)習(xí)。實驗開始后,虛擬場景中的VR手柄將會替換為風(fēng)向風(fēng)速儀模型,晃動風(fēng)向風(fēng)速儀即可開始對場景內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行測量。風(fēng)向風(fēng)速儀的中央屏幕會顯示當(dāng)前位置的實時風(fēng)速,單位為m/s,同時風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)指示風(fēng)力大小。風(fēng)向風(fēng)速儀上方的風(fēng)標(biāo)旋轉(zhuǎn)指示風(fēng)向,單位為(°)。如圖9(b)所示,學(xué)員在場景中手握風(fēng)向風(fēng)速儀并保持高舉1 min,記錄風(fēng)向風(fēng)速儀顯示的平均風(fēng)速和觀察到的最多風(fēng)向,完成風(fēng)向風(fēng)速測量實驗。

((a)風(fēng)向風(fēng)速儀,(b)應(yīng)用場景。(a)Aerovane; (b)Application scenarios.)圖9 海風(fēng)觀測Fig.9 Sea breeze measurement

3.3.2 虛實結(jié)合的CTD觀測實驗 溫鹽深是海洋物理學(xué)的重要參數(shù),是海洋水文觀測的基本要素[19]。溫鹽深測量儀(Conductivity, temperature, depth,簡稱CTD)是海洋研究觀測中的重要設(shè)備,能夠精確獲取水體的溫鹽深數(shù)據(jù)[20]。CTD由水下單元、甲板單元和采水系統(tǒng)三部分組成,其主要功能是采集不同層位的海水。實驗采用的SBE-911型CTD采水系統(tǒng),其搭載的各類高精度傳感器可以采集海水的溫度、鹽度、壓力、葉綠素、溶解氧等基礎(chǔ)觀測要素[21]。實驗設(shè)計了CTD觀測實驗,包含甲板單元介紹、采水單元安裝、CTD下放回收等內(nèi)容。

實驗采用動作捕捉技術(shù)設(shè)計虛實結(jié)合的互動模式,在場景內(nèi)配置了實體的CTD采水系統(tǒng),并放置多個光學(xué)Mark點進(jìn)行標(biāo)記。實驗過程中深度相機(jī)捕獲Mark點標(biāo)志,并與Motive軟件中的光學(xué)剛體端點進(jìn)行匹配,將Mark點在現(xiàn)實坐標(biāo)系中的坐標(biāo)同步給空間坐標(biāo)系中的光學(xué)剛體,然后將光學(xué)剛體坐標(biāo)同步給仿真場景中對應(yīng)三維模型,從而實現(xiàn)CTD采水系統(tǒng)在現(xiàn)實場景與仿真場景中的狀態(tài)同步。圖10中,學(xué)員通過佩戴動作捕捉手套,可實現(xiàn)對現(xiàn)實場景和虛擬場景中CTD采水設(shè)備的同步操作。虛實結(jié)合的互動方式能極大增強(qiáng)交互的真實感和交互性,從而提高觀測實驗的系統(tǒng)效果。

圖10 虛實結(jié)合交互Fig.10 Combination interaction of virtualization and reality

4 結(jié)語

本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在海洋環(huán)境仿真中,通過船只建模及其運動仿真構(gòu)建虛擬海洋環(huán)境觀測載體,研究了以海浪仿真、海風(fēng)仿真、海流仿真為核心的虛擬海洋環(huán)境仿真技術(shù),并在此基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)了交互式虛擬海洋仿真系統(tǒng),逼真還原了出海實踐教學(xué)中海風(fēng)觀測和CTD觀測兩大實驗內(nèi)容,擴(kuò)展了海洋實踐教學(xué)的形式,提高了海洋人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

本文通過研究虛擬海洋環(huán)境仿真中的多項關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)了基于實踐教學(xué)的海洋仿真交互式系統(tǒng),對涉海高校實踐教學(xué)的新型模式進(jìn)行了探索。交互式虛擬海洋仿真系統(tǒng)在一定程度上彌補(bǔ)了當(dāng)前高校海洋調(diào)查船難以滿足人才培養(yǎng)需求的缺陷,避免了真實海洋實踐過程中可能的安全隱患。雖然現(xiàn)階段虛擬仿真系統(tǒng)無法完全取代真正的出海實踐教學(xué),但它可作為高校出海實踐的有效補(bǔ)充,以提高教學(xué)資源的利用效率并縮短海洋人才的培訓(xùn)周期。隨著海洋環(huán)境仿真技術(shù)與交互技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,虛擬海洋仿真技術(shù)將在高校海洋實踐課程中獲得更廣泛的應(yīng)用。