（计算机应用技术专业论文）基于enc的近海三维可视化研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 电子海图显示与信息系统( e l e c 订o n i cc h 础d i s p l a ya 1 1 di n f o 耻a t i o n s y s t e m ，嚣c d s ) 是一个综合往鹃系统，是奁符合国际海遵测蠡组织s 。5 7 标准的 嚣n c ( 基l e 勰_ 。垂ex 髓圭i o 鑫lc h 越，e 泰配) 数爨集静基磁之上集戏了毫予海疆显示系 统、定位系统等予系统。它具商海图显暴、计划航线设计、航行记录等许多功 能，在很大程度上提高了水上航行的安全性。但目前的e c d i s 系统多侧霾于二维 模式的设计和显示，对很多三维信息也仪限于用二维图形符号或数字加以盥示， 不能童观、快速的反映周嗣真实航行环境，细航行水域豹海床、小岛及岸上高 出戆形状、激及船舷航抒在求深受限东域静承下真实场岽等。餐阕器尊在e c d i s 系统蹶用到的数攒瘴( e n c 数撼集) 以及海搴部门提供蛉各独水上疆摄服务中 榔提供了多种这样的数据，这些数据能通过三缎方式直双、快速的呈现给驾驶 员，如三维水深点数据、实时的水位和潮流信息簿。 本文结合国家自然科学基金项目分布交互三维行为一特征建模方法的研 究，在e n e 数据集的綦础之上，碜 究了近海三缭可褫佬的相关技术。这些可视 纯内蜜枣：海底数字离程模型、动态茨冀海疆以及靛标模型与灯光信号模型。 农近海海域的视化前首先要考虑数据源的阀题。在本文的第姻章详细地分 析了数据源( e n c 数据集) 、数攒模型以及它的文件结构。然后介绍了两种使用 e n c 数据集的方法，一个是建立完整的数据库，从e n c 数据集文件中读取出所 有的信息；二是针对所研究的羹点，只读取其中簧研究的数据即可。本文采用 第二稀方法。在成功读取了三绦离教东深点数摇后，论文第五章详细魏分析了 翅健铡爆d o l g # 艇y 法则生残海感憋不规裂三懋鼹 骶i 鑫珏g 畦8 拖d 妇e 嚣i 盯n e 擀。盎， t i n ) 模型。可以从生成的t i n 模型中看出由于采样点数爨和糙度的限制模型很 粗糙。所以本文采用移动平均法的捅值算法来生成表达精度更高的海底数字高 程模型( d i g i t a le 1 e v 砒i o nm o d e l ，d e m ) 模型，这就是第五章中分析的离散数据 滟两格纯方法。对于海面模型，我选择了正弦波的叠加技术生成动态的仿真海 蠢，著显采用三维建模工具建立靛称模蘩。最看论文采用镜头巍斑技本来生躐兢 撂灯灯光效果，从薅增艇可视传场景的真实熊。 关键字：e n c ，s s 7 榕准，t 烈，d e m ，仿真海甄 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee c d i s ( e l e 吐m i cc h a r td i s p l a ya n d1 1 1 f o n n a t i o ns y s t e m ) i sa i l 协t e 铲a t e d s y s t e m ，w 1 1 i c hi n t e 鲜t e dm 趾ys u b s y s t 锄sb a s e do nt h ee n c d a t as e t sw h j c ha c c o r d s w i t ht l l e os 一5 7s t a n d a r d t h c s es u b s y s t e m si l l c l u d e de l e c 订o n i cc h a r td i s p l a y i n g s y s t e m ，1 0 c a t i n gs y s t e me t c t h es y s t e mh a sm a i l y 如n c t i o n s ，f o re x 锄p l ed i s p l a y i n g e n c ，m a k i n gm u t i n gp l a 也r e c o r d i l l gm a r i n ed a 饥t h e s ef i l i l c t i o n si m p r o v em 砌t 曲e s a f e t y b mt 1 1 ec u r r e n te c d i si se m p h a s i z i n gp a i t i c u l 砌yo n2 dm o d e ld e s i g na n d d i s p l a y i 工1 舀e s p e c i a l l yt 0a1 0 to f3 di i l = f o n n a t i o nw m c hc a no n l yb e 、，i s u a l i z e di n2 d s y m b 0 1 o rm m l b e ru n d e re c d i s t h e2 dm o d e lc a n tr e n e c ts u c hr e a ls a j l e n v 扣d n m e n ti 1 1 t i l m v e l ya n dr a p i d l y 船s ea ：b e dm l d e rh l e e l ，i s l 锄do rm 枷n ss h a p e a n dm ev i 妇le n v i m n m e n tu n d e ras l l i p si m e e lw h i c hc o n s 臼r a i n e db yh e rd r a u g h t b u t ， a ts a m e 衄l e ，山e r ei s 枷c hd a 协i nd a 协b a s eo fe c d i so rr n a r i t i i n ep r e c a u t i o n 断n 加t i o n si n a r i n ed e p 咖e n t ，w h i c hc a nb ed i s p l a y e di n t l l i 右v e l y 锄dr e a l - t i m ei n 3 dm o d e l ，f o re x 锄p l e3 ds 0 1 m d j n gd a l a ，r c a l 一由n ew a t e 卜l e v e la 工1 dt i d ei n f o r m a t i o n p r c c a u t i o n 行o mm 瞳i o n sm a r i n ed e p a m n e m e t c t h em e s i s ，w l l i c hi sb 鹪e do nt h ep r o j e c to fn a t i o n a ls c i e n c ef u n d b e h a v i o r - c h a 阳c t e r i s t i ci n o d d i n g 矗”d i s 仃i b u t e d i m e r a c t i v e3 ds c e n e r e s e 盯c h m et e c h n 0 1 0 9 yo f3 dv i s l l a l i z a t i o ni 1 1o f r h o r cb 淞e do ne n c 血t as e t s ni n c l u d e st 1 1 e d e mi n o d e lo fm es e a b e d ，d y n 锄i cs i m u l a t i v es e a - s u r f k e ，如ds h 印eo rs i g n a l l i 曲t m o d e l t h ed a t as o u r c em u s tb et a k e l li n t oa c c o u n tf i r s t l yb e f o r cv i s u a i i z ei i lo f 强h o r e i n c h 印t e r4 ，i 百v es o m ed e t a i l e da i l a l ) ，s i sa b o u t 出扭s o i l r c e ，d a t am o d e la n di t sm e s 饥l c n l r e s t h e nt 、v om e t h o ( i sa r ei 1 1 仃o ( i u c c dt oa c c e s si i a t ai ne n ci i a _ c as e t o n ei sa c r e a t e dw h o l ed 。曲b ew l l i c hc a nb ef i l l e dw i t ha l ld a t ar e a d 右mt 1 1 ee 】呵cd a t as e t f i l e ，t l l eo m e ri sj u s tr e a d i n g l ed a t aw 1 1 i c h d l lb eu s e di n l i s 也e s i s t h el a t t e ri s a d o p t e di nm y t l l e s i s a f c e r 靠i l i s hr e a d i n g3 ds o 硼曲n gd a 【诅肺mm ee n c 出i t as c tf i l es u c c e s s 埘l y ，i 趴a l y z eh o wt oc r e a t em et i nm o d e lw l l i c ha c c o r d 、) l r i 血d e l a u i l a yr e g i l l a t i o nm c h a p t e r5 f r o m ”t i nm o d e l ，w ec a ns e ec l e 盯l yt l l a tt i nm o d e l i sv e r yr o u 曲s oi 武汉毽工大学硕学位论文 u s em d v i n ga v e r a g ea r i t l l m e t i cw h i 妇i so n eo fm es 叫a l 妇c ai m e i p o l a t i o n 8t 0 c 转a t e 措o r ew e e i s e 糯ml 鞋o d e lo f 搬os e 暑l b e d ，a 心i ti s 菇砖趣g 糙e 壕o do f 碰8 0 r e t o 觇基豁辩蝴遮建t 8 群铺5 。 b 氇ej 搬v 遮鑫o ns l l 芏龟o e 越o d 蘸，ls 菸e 筑s i 建。蝌e s u p e r p o s i t i o nt e c l l n 0 1 0 9 yt oc r c a t ed y n a l n i cs e a - s 帆ea n da d o p t3 dm o d e l i n 嚣t 0 0 l t oc r e a t em em o d c lo f t h es h a p e a t 也ee n do f t l l e 嫩e s i s ，is e l e c tl e n sn a r et e c h l 0 1 0 则 话e f e a 侍镪es i 霉匪l i 醢m 喇e l 拇i 矗r e a s e 佼e 溉l i s 矗嚣o f 氆ev i 霉l 戚掘s c 镦捌杈 k e y w o r d ：e n c ，s 5 7 ，t 1 n ，d e m ，s j m u l a t i v es e 舢s 峨惦e l i l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 电子海图显示与信息系统( e l e c 打0 1 1 i cc h a nd i s p l a ya n dh l f o n n a t i o n s v s t e m ，e c d i s ) 【1 1 2 在船舶上的应用一直是航海界的一个研究热点，不但国际海 事组织( i n t e m a t i o n a lm a r i t i i n eo 艰a n i z a t i o n ，i m o ) 、国际海道测量组织 ( i n t e m a t i o n a lh y d m g r a p l l i c0 1 羽1 1 i z a d o n ，珊o ) 为其颁布了一系列的国际标准、 规范，而且各大航海院校对其即将踏上工作岗位的高级船员进行了一系列的相 关培训。这项技术使得现代航海的自动化水平大大提高，使驾驶员把主要的精 力都放在了望和制定更安全、经济省时的航行计划中。 但另方面g p s 、测深仪和m a r 等航海技术、海道测量技术、制图精 度和r s 技术的飞速发展又给水上航行提供了更及时、更丰富的数据资源。这些 数据又给许多开发商提供了很大的发展空间，不断有公司在自己的e c d i s ( 或 e c s e l e c 怕n i cc h 甜s y s t e m ) 中增加三维视景的功能，从天上到水下都给船舶 驾驶员展现一个真实场景供他们分析做出更佳的避让措施。这样驾驶员在驾驶 窗外的真实态势和e c d i s 显示环境间转换就更加直观、快速，减少了驾驶员为 核对窗外所见的目标在显示系统上的位置或态势所耗的时间，为做出更佳的避 让决策而增加了分析时间。另外航海教育的教学方式也在随着信息技术的发展 而不断发展，提出在这种实际操作能力要求很强的教学课中应该用新的教学方 法，就连国际组织也建议在这个专业的教学中推荐使用模拟器和c a i ( c o m p u t e r a s s i s t e dl i l s 讥l c t i o n ) 教学软件【3 。而且随着船舶上安装黑匣子【4 的普及，海事调查 必然会利用它里面的数据重新回放出事当时的场景：包括海况，周围助航设施， 与他船的会遇态势，本船水下的富余如何等。 本文所研究的内容正是在这种背景下产生的，将利用e n c 数据集中的三维 深点建立海域的海底表面模型，用波的叠加技术生成海域的动态海面以及建立 海上其他助航设施。本论文将通过这些研究对在船舶驾驶仿真中【5 1 、在实际海上 工作及相关教学中遇到的问题作一个初步的探讨，并为以后可能的工作做一些 技术铺垫。同时也是为了探讨交互三维视景行为一特征建模方法，而把动态的 武汉理工大学硕士学位论文 近海海域作为一种典型的实际应用来进行研究，并着重研究航行水域中的动态 海面、助航标志和船底龙骨下的海底场景( 即海底的表面网格模型) 。 1 2 课题来源 基于e n c 的近海三维可视化研究是以实验室课题一分布交互三维视 景行为一特征建模方法研究”和科技部创新基金项目“分布式视景仿真开发平台” 为基础的。其中“分布交互三维视景行为一特征建模方法研究”课题得到国家自 然科学基金和中国科学院计算技术研究所智能信息处理开放研究实验室项目资 助。 基于“行为一特征建模”方法的分布交互三维视景开发环境，是由视景模型 层、服务层与客户程序层三个层次组成。客户程序由开发者针对具体应用领域 的问题，用不同的编译器编制，并在运行过程中通过动态链接库与服务层通信。 鉴于客户程序层应用的广泛性，而把这一层次留给第三方来开发。也就是说第 三方通过使用我们提供的开发环境来解决不同应用领域的问题。 “行为一特征建模”方法的分布交互三维视景开发环境，主要是由模型层、视 景层、通信层这三个层次组成。这篇论文主要是三个层次中的视景层中的海上 三维视景的设计和开发，同时也考虑了模型层中一些物体模型的物理属性。 1 3 国内外研究动态和水平 1 3 1e c d i s 中的三维应用状况 在国内多数的软件开发商目前还在研发二维的e c d i s 系统之际，国外的许多 较大规模的航海技术软件开发商，如f u g a w i 、l o o k s e a 、以及我校航运学院的模 拟器生产商t r a n s a s 等公司已在某些三维功能上做到商业化的地步了。这些 软件开发公司开发的e c d i s 或e c s ( e l e c 廿o n i cc h a ns y s t e m ) 除了具有主要的 助航功能外在三维功能方面都各具有自己的特色。 f u g a w i 公司【6 1 f u 叠a w im a r i n ee n c 是美国f u g a w i 公司开发的，用在个人电脑上供航海 人员用的软件。 这个软件具有常用的航海功能，如船舶的航行计划的制定，g p s 船的接收， 武汉理工大学硕士学位论文 r 如a r 图像，海图作业等。它可支持多种格式的电子海图：c m a p ，s 5 7e n c 甚至是普通的地图相片也支持。只要p c 和g p s 接收器连接上就可以在船上用 来助航。另外它还能够在效果很好的三维环境下查看海图或地图( 它的三维功 能如图1 1 所示) 。从它的三维环境中能清楚的看到水深点，等深线，岸线等 海图上的数据资料。另外它还像其它软件一样能用鼠标、键盘或游戏杆进行三 维地理环境漫游，甚至能在三维海图上进行实时的g p s 定位。 图1 1f u g a w im a r i n ee n c 的三维功能 英国船商公司f 项8 】 英国船商有限公司( 1 h n s a sm a 咖el i i n i t e d ) 是以开发研制、生产销售航海、 航空电子设备为主的高科技企业，公司由多名计算机软硬件工程师、机电工程 师、专业制图师，指导船长和轮机长组成。我校航运学院的全任务大型船舶操纵 摸拟器( 如图1 2 所示) 就是由这个公司开发的。 鼗汉囊工丈学磉士学链论文 图1 2 全任务大型船舶操纵摸拟器n t _ p r o 4 0 0 0 型 船商公司裔7 个跨国分公司( 美国、俄罗斯、德潮、法国、荷兰、北欧、 耘麴瑗) ，3 9 个鬻乡 霞表极擒跌及粥多豢代理亵，在仝簿其有瘫大懿锩售窝缍 修黼络，产品销誉8 0 多个圜浆与地区、5 0 0 0 多艘商粥及军用船舶上，在海运界 攀有盛名。公湖的主要产品可以分为实用系统和训练系统两大类。蕻主要产品 露：船辑系统、v t s f v e s s e l 鼢a 臻es e 喇c e s ) 、殴及各种模缀器，如极舱模拟器、 靛海模叛器系统、g m d s s 耩拟器、采下溺量模撅器等，几乎覆盖了靛海领域豹 所有业务。 在三维功能方面，它建立了完整的天空、水上真实场景，而在水下方面， _ j l 孝予簸海太虽袋滋最关心戆蹩零艇塞余痰深是否髭铩疆零器安全豹簸行，瘊戮 这个公司在这方面也做了相殿的工作，利用水道测量数据建立了三维海床d e m 模型。它的n a v i f i s h e r3 0 0 0 把基于电子海图数据的三维海床溶合在一起，在航 线周邂提供三缨鲍实对地形、各转向点鲍次深以及根掇当对潮汐的愤提壹观显 示髓方舷线上黥海底情况。娜图1 3 所示弼。 图1 3 船舶所在海底的d e m 模型 l o o k s e ml 1 c 公魂1 9 1 4 武汉溪工夫学硕士掌位论文 这个公司坐落在獒图m a i n e 州，在这个州有个燕国出名的航海学院。它的 l o o k s 锨瀑绞是基嚣仪有的一耱航海海匿系统，窀来澡于军事痰惩，戆在备萃中 天气群凌下捷谈更安全、安全蔫惑凳丰富骜簸聿亍方法。 它撼出了一种全新的海上航行的概念，那就是海上航行如同汽车在商遮公 路行驶一榉：在本船的靛方两侧用如圊赢速公路两边的栅栏张栎示出本船驰安 全可靛承域，著可鞋檄攮嚣要来调熬撵栏蠢夔宽凄；毽本聚裁蕊戆海上囊实殇 景不是髑计算视仿真出来的而是来自于系统的摄像头。它的演示d e m 0 如图1 - 4 所示，它的系统构成如图1 5 所示1 9 】。 图1 1 4b o k s e a 公司的水上航行模式 鐾l 一5 孙o k s e 嚣系统酶缓成 大连海事大学 多功能航行安全仿真系统i i o 】是大连海事大学自主开发的由一个教练员控制 台与四个本船组成的累统，具有以魄予海图为背摄盼船舶动态模拟，雷越与 轰融毪摸攒强及三缝筏荣摸攒戆功能；嚣笈矮予教学调练，逛麓避行科学辑究与 工程辅助设诗。系统的三维视景显示采用o p e n g b 标准编铡，图形细致逼真， 5 武汉理王太学硕士学氆论文 更新速率高，具有昼夜变化及能见度分级变化铎效果。对冀薅助航设施、信号 灯、航行灯的建模提出了自己开发麴薪算法，傈诞了重要航行信号显示的准确 整。 它以电子海图为背景，二维地照示以下这些内容： ( 1 ) 以电子海圈背景，其中包括了岸线、浮标、碍航物、承深点、等深线、 霹头等全都纸矮海强臻惹。 ( 2 ) 本船与目标船的动态位澄。 ( 3 ) 本船锚泊时的锚位、锚链方向，走锚时有音响报警、字符显示。 ( 4 ) 使甩拖轮时，有拖轮位嚣、方向、撼、顶操作显示。 ( 5 ) 本籍搁浅、缓码头等均露报警。 ( 6 ) 锚、缆、拖轮操作控制。 三绒视景显示有：显示图像有照夜、白天、展昏的区别，能见度分必5 级； 本瓣4 熬照示范重秀窳平褪受1 2 0 凌，垂壹疆楚3 0 疫。零熬l ，2 ，3 魏爨示范 围，水平视角为8 0 发，垂直视角为印度。会遇练习时本船能互见，目标船及 本船的图像根据设置不同而变化。 从上灏的几个著名公司的产赫碍跌看出，邀海海域的船桥羚鳃视景麸天上 至l 拳下郡做了不离穗发静开发。霄豹透过摄像枫头来实露褥剿驾驶台所冤的场 景然后辫融合各种信号达到安全航行的目的f 9 ：而有的产品的视景是计算机仿真 出来后融入各种信号的【1 2 【1 3 】，它熊人为的控制天气状况、海况等。前者用在 实骣懿海麓上舞驾驶久员握侯安全靛 亍豹疆韵手段，聂考羯袋为意较或蹬鞠枫 构提供教学、上岗前的训练、港航设计单位、引航部门等。 而对于国内外其他雾数产品的盎要功能是猩二维电子海圈的显示上，三维 功能及冀在p c 枫上弱镬震还不是缀营遮湖 1 5 】。 1 3 2 海底d e m 的邈模 d e m 【l6 】是地形表糯的数学模型。根据不成数据集的不月格式，d e m 可以便 雳一个线多个数学涵数来对遣表遵行表示。对戆形表西遗季亍裘达豹备释熟璇可 称为表面麓建或表面建模，这种建模而成的表面就是d e m 表黼。因此，地袭煎建 就是d e m 表面重建或袭面生成。当d e m 表面建模后，模型上侵一点的高程信息 藏可爨觚d e 表瑟获褥。阖襻，鹭海疯d e m 袭覆建模磊，藏霹鞋款该表嚣中获 得任一点的深度信息。 武汉理工大学硕士学位论文 每张矢量e n c 数据集都能提供许多数目确定的、由水道部门精确测量的、 经纬度确定的、水深值已知的但都是散乱的水深点( 等深线可以看作是由一些水 深值相等的水深点组成的) f 1 7 1 8 1 。因此，对海底进行三维建模的关键就是如何利 用电子海图上这些己知的散乱水深点生成海底的数字高程模型( d e m 模型) 。 对地形表面进行d e m 建模技术到现在已相当成熟了，而且广泛应用在各个 领域，如数字地形分析、可视化和在土木工程、水利工程、环境工程及g i s 中 的广泛应用。它的理论和技术由数据采集、数据处理和应用三部分组成。d e m 的发展经历了以下几个时期”叫。 从2 0 世纪5 0 年代末为初始时期，这个时期除了d t m 引入土木工程和计算 处，还用于监视地球表面的变化。到6 0 年代，人们主要是致力于地形高程的存 储和插值，以试图提高模型的精度。但到7 0 年代，人们认识到光靠插值还不能 大幅度提高模型的精度；采样数据的精度将更加重要，所以又把工作重心转向 了优化采样上来。到8 0 年代人们对d e m 的研究已涉及到d e m 系统的各个环节， 包括用d e m 表示地形的精度、地形分类、数据采集、d e m 的粗差探测、质量 控制、d e m 数据压缩、d e m 应用以及不规则三角网t 矾的建立和应用等。到 9 0 年代以后，随着g i s 的发展，d e m 成为空间信息系统的一个重要组成部分， 是工程建设、战场环境仿真等许多领域最为重要的基础数据之一。到近些年， 随着空间数据基础设施的建设和“数字地球“战略的实施，更加快了d e m 与3 s 【】9 】 的一体化。 现在常用的海底d e m 模型的表面建模方法，是基于对现有海道测量部门精 确测量的、有经纬度的、水深点确定的数据进行的，由于这些数据，其排列通 常是不规则的，因而多使用三角形网络作为表面建模的方法【2 。在数字地形建 模中，不规则三角网( t i n ) 【2 0 】是通过从不规则分布的数据点生成的连续三角面来 逼近地形表面，并且当地形包含大量特征如等深线时，t 矾表面模型能更好地顾 及这些特征从而能更精确合理地表达地表形态，这对于海底地貌的复杂多变性 也是非常适用的。而对于e n c 数据集中提供的一定数量的等深线，不适合于直 接进行地形分析 1 “，因此把它转为三角网或格网形式来对离散点生成的地表进 行调整，使之更逼近真实的海底形状。要在已有数据的基础上进一步提高网格 模型的精度，一般是在源数据的基础之上用插值的方法来增格网节点个数来增 加其表达精度 2 0 】【2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 海面视景生成技术 船舶在水上航行，海面的效果直接影响到驾驶人员或培训人员的视觉感受， 所以海面视景的生成也是很关键的，而且生成方法也有多种。 从1 3 1 节中我们知道生成海面的视觉效果有两种途径，一种直接用计算机 仿真出来供培训室使用或者海事人员参考，另一种是在真实海船上装上摄像机， 实时的得到驾驶台前方的海上场景 9 。在本论文中不把主要精力放在后一种生成 方法上面，而着重研究前一种生成方法。 目前，实现海浪效果的算法已有多种，在文献【4 8 里也加以了总结。一般是根 据波浪理论或水力学【2 3 】从不同的应用角度加以简化，而在文献 2 4 】中也从各个 角度详细讲解了波浪的物理属性及其数字化方法。在目前其他的具体应用场合 下，按照基于模型的不同可以分成三种典型的方法，一是基于几何模型生成的，这 些方法简单直观，也能达到实时的需要，但是看起来欠真实，特别是在大风产生浪 花的时候；二是基于物理模型的，这些基于物理属性的海浪生成算法考虑了海浪 的多种物理属性，如文献圈【2 6 】等，它们看起来比较真实，但总体来说计算量比较大， 在大范围的仿真海面的时候实时性不理想。另外一种方法就是基于统计数据上 的海浪仿真 2 ”，它们是利用在一些特殊的应用领域统计得到的数据来生成海波 的，在这些统计场所里其效果是比较好的，而且水波动画效果也较好，但它仅局限 于这些特殊的场合。另一种分类方法是按照对海面还是对整个水体进行渲染的 不同而分成基于水面的算法和基于水体的渲染算法【2 。前者不涉及到水下的部 分，也不用过多的分析流体的作用力，而后者是注重研究流体的物理属性，如物体 在水中的运动仿真，海水对岸体的冲刷作用。这其中的计算量是可想而知的，在大 范围的水波渲染中难以达到实时的要求，这种算法主要是用来分析流体的物理 属性。 1 4 研究的目的和意义 基于e n c 的近海三维可视化研究的目的一方面是为了探讨交互三维视 景行为一特征建模方法，特把动态的近海海域作为一种典型的实际应用来进行 研究，并着重研究航行水域中的动态海面、助航标志和船底龙骨下的海底场景 ( 即海底的表面网格模型) 。二是为了对海事培训或航海c a j 教学、水上交通安 8 武汉理工大学硕士学位论文 全管理、海事分析以及港航设计等领域的三维应用作一个初步的探讨。 另外，对电子导航海图的可视化的研究是航海界一直关心的热点问题之一， 它与航线设计、预警、船舶操纵的有效性决策密切相关。而且电子导航海图对 海事教学、海事分析以及海上安全航行都具有很重要的作用。所以基于e n c 的近海三维可视化研究具有很强的实用意义。 1 5 主要研究内容 本论文主要分成九章来进行论述，各章的主要内容是： 第1 章讲述了课题来源、课题研究的目的和意义、国内外的研究动态和水 平以及论文研究的主要内容； 第2 章介绍了论文中用到的三维图形接口：o d e n g l 技术以及对d 3 d 的介 绍： 第3 章介绍了e c d i s 在船舶航行中的主要功能，如日常海图作业，航线设 计，雷达图像在e c d i s 显示屏上的叠加等； 第4 章分析了作为e c d i s 的数据库e n c 数据集的m os 5 7 标准及其用 来表示现实世界的数据模型和对应的文件结构； 第5 章分析了如何利用e n c 中的离散的水深点以及海岸线、等深线来建立 海底d e m 模型的方法； 第6 章在总结已有的海面建模方法的基础上讲述了本论文中用到的海面建 模方法； 第7 章介绍了怎样建立海面上的助航标志及灯光模型； 第8 章海域可视化的最终集成效果。 第9 章对所作的研究工作做了相应的总结，并提出了有待改进之处。 武汉骥工大学硕士学位论文 第2 章兰维图彩维编程技术 2 10 p e n g l 豳形编程技术 2 。l ，l 待么霆挪e 撼毛 0 p e n | g l ( 鄄开放豫图形席o p 檄6 r a p 赫c s 班雠娜) 蹙个三维的计算帆醋 鼯帮禳黧露，簸裙逢荑凿s g l 公霹为冀图形工俸始开发的一稀动靛强大的三缭 露澎撬裁( 或蠢说楚耱辫澎标准) i 渊。它楚狻立予襞锌，狻立予簿臻戆臻统， 在逮露蚤黪搽搀系统懿诗箨瓤主帮霹弼，荠髭意弼终繇壤下黻客户，黢务嚣穰式 王孛# ，罴专数疆影楚骥、辩掌诗冀簿裹端或爆领域懿攘猴躅彤疼。宅滚予s g l 公司必其图形工终站辨发的琢鹪g l ，蜃攫跨乎螽移植过程中发展成为o e n g l 。 s g i 农1 9 9 2 年7 月发布l ，o 版，屠成为工业标准，由成立予1 9 9 2 年的独立财圉 o p e 瞒la r c h i t e c 眦er e v i e wb o a r d ( 触国) 控制。奠标准由s g i 蹲a r b 成员以投 聚方式产嫩，并箭成兢范文档( s p e c i 蠡c 娟o n ) 公布，番软硬件厂商据魏开发自矗系 统上静实骧；只鸯透过了越湛蔑蕊垒辩灞试豁窳现才栽稔麓铆煳g l 。霞蓊鼓 瓣簸撬黎蓬2 潞4 霉5 嚣通过魏国蠊瓦2 ，0 。 裂稻e 羲g 0 哥塔剑终爨蒸豢照片覆壤黪、独立予餐蜀豢统( w 遮融w 遮鐾 s 涨璐) 、操馋系绫( 啦科a 畦聪s y s e 嫩) 毒秘粳 睾乎蠹的三维彩色熙形鞠动谶。 o p e n g l 的攘心痒包掇l o o 多个用于3 d 图形操作的飚数，主鼹负责处骥对蒙外 形描述、矩阵变换、灯光处理、着色、材质等和三缎图形图像密切相关的潦情。 它的工其库所包含的辅助添数怒0 p e 吣l 基本瀚数的辛 宽。这些鼹数的功能襁 对毒级，可戳孺予经臻坐标交换、错误齄毽、绘铡球体、锥体、辕体、曲线、 馥露等爱澎实薅。 2 1 2o p e n g l 的基本功能 0 9 。n g l 能够黠整个三缝模型进行渲染蘩塑，麸嚣绘制出与寥鼹螫器十分娄 姒数三缀景象。另烬o 辨娃旺，还可以避行三维交互、动佟模撤等。具俸的功能 主要有以下这些内容【2 7 】【2 8 1 。 l 鞋 武汉理工大学硕士学位论文 多种模型的绘制 o p e n g l 能够绘制点、线和多边形。应用这些基本的形体，我们可以构 造出几乎所有的三维模型。o p 髓g l 通常用模型的多边形的顶点来描述 三维模型。 把多维世界转换到二维显示器上进行观察 在建立了三维景物模型后，就需要用0 e n g l 描述如何观察所建立的三 维模型。观察三维模型是通过一系列的坐标变换进行的。模型的坐标变 换在使观察者能够在视点位置观察与视点相适应的三维模型景观。在整 个三维模型的观察过程中，投影变换的类型决定观察三维模型的观察方 式，不同的投影变换得到的三维模型的景象也是不同的。最后的视窗变 换则对模型的景象进行裁剪缩放，即决定整个三维模型在屏幕上的图 像。 两种颜色模式的选择 o | p 髓g l 应用了一些专门的函数来指定三维模型的颜色。程序员可以选 择二个颜色模式，即r g b a 模式和颜色表模式。在r g b a 模式中，颜 色直接由r g b 值来指定；在颜色表模式中，颜色值则由颜色表中的一 个颜色索引值来指定。程序员还可以选择平面着色和光滑着色二种着色 方式对整个三维景观进行着色。 丰富的光照应用 用o p 锄g l 绘制的三维模型必须加上光照才能更加与客观物体相似。 o p e n g l 提供了管理四种光( 辐射光、环境光、镜面光和漫反射光) 的 方法，另外还可以指定模型表面的反射特性。 让模型更真实一纹理映射 三维景物因缺少景物的具体细节而显得不够真实，为了更加逼真地表现 三维景物，0 p e n g l 提供了纹理映射的功能。o p e n g l 提供的一系列纹 理映射函数使得开发者可以十分方便地把真实图像贴到景物的多边形 上，从而可以在视窗内绘制逼真的三维景观。 双缓存技术让动画成为可能 为了获得平滑的动画效果，需要先在内存中生成下一幅图像，然后把已 经生成的图像从内存拷贝到屏幕上，这就是o p e n g l 的双缓存技术 ( d o u b l eb u 脑) 。o p e n 0 l 提供了双缓存技术的一系列函数。 武激理工大学硕士学位论文 交互技术 目前有许多图形应用需要人机交互，o p e n g l 提供了方便的三维图形入 梳交互接口，用户可戳选择修改三维景蕊中的物体。 2 1 30 p e n g l 基本工作流程 艇个鼬。n g l 的基本工终流程 2 9 】图2 1 ： 圈2 1o 口e n g l 基本工作流稷 其中几何顶点数据包括模型的顶点集、线集、多边形集，这些数据经过流 程图的上部，包括运算器、逐个顶点操作等；图像数据包括蒙素鬃、位图榘等， 图像象素数据的簸理方式与几何顶点数据韵处瓒方式是不同的，但它们都经过 淹稽纯、逐个片元( f 您j 戮e 拄t ) 憝理壹至撼最爱的毙播数据霹入筷缓冲器。在 0 罄锶g l 中的赝蠢数援包搀凡犍顶点数据弱象素数攒都霹以被存健在显示列袭 中或蠹立即可以德到处理。上图中豹显示剥褒技求是0 脚g l 黔一项重要灼技 术。 o 口e n g l 要求把所有的几何图形单元都用顶点来描述，这样运算器和逐个顶 点计算操作都可以针对每个顶点进行计算和操作，然后进行光栅化形成图形碎 片；对予象素数攒，蒙素操作结果被存储在纹理组装用的内存中，再象几何顶 点揉作一样光褥纯形成鼙形片无。 整令滚糕操 擘麴最后，图形片元郡要遗行一系裂的逐个片元操佟，这样最 压的象素僮b z 送入峻缓冲嚣实现图形的显示。 麓言之真实世界中的三维物体要显示在二维的曼示器上糯要进行以下鲍执 行操作： 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 根据基本图形单元建立景物模型，这样场景中每个物体就有自己模型的 建坐标，并且对所建立的模型进行数学描述( o p e n g l 中把点、线、多边形、图 像和位翻都作为慕本图形革元) 。 2 ) 把景物模型蕊在世界黛标系中豹台遥静位置，经过模型、视图转换组合 褥到模型视图矩黪( 变换矩薄) 。 3 ) 设置规点( v i i 珏t ) 以戏察艨感兴趣救景鼹，褥到在戏察坐标下鲍场 景图像。 4 ) 选择合适的投影方法，即定义一观察区域，如把所观察到的场景放在一 个棱台或长方体内，阁这个区域去裁剪观察场景。 5 ) 从4 ) 得剿了投影面上的场景图像磁，再相对化这个艇标，即正交化设 备坐标。 6 ) 选取窑墨攫标上舞一点为中心，扶甏把覆交托了豹垒标稽对于中心定谴 好。 7 ) 得到窍口挫标，由此绘制出些物体。 在这些步骤的执行过稷中，o p e l l g l 还可以自动消除隐藏藤、对场景加匕光 照、丰富的颜色等。 o p e n g l 的图形处理过程可以用图2 。2 闻这个示意图加以表示： 图2 2o p e n g l 顶点交换的各个阶段 2 。2d i r e c t ) ( 发展简介 d i r e c o ( 3 d 和o p e n g l 是当前流行的两套三维图形处理库。d i r 。c t 3 d 是微软 d i f e c 仪s d k 集成开发包中的重要部分，适含多媒体、娱乐等广泛的3 d 图形处 理。它发震蜀嚣静静敝本d 汝e 隧1 0 也经过了玖二维捌三维的发震过稽： 武汉理工大学硕士学位论文 2 d 时代： 赞e l 。o 出瑰怒在w 遗d o w s 发毒鑫，这个睡绫绞多磺传不支持它，缀多 主流游戏也不支持。所以这个时候它显得还没有多大市场，缎随着w i n d o w s9 5 的发布，留口操作系统在全球得到认可后，加上d i r e c t x2 o 改祷了d i r e c td r a w 使得它大爨应用在许多经典游戏上。送个对候的瓢r e c 除了2 d 以外，d 3 d 部 分懿臻影蘩本竞或。 3 d 时代： 1 9 9 7 年微软发布了最后一个版本的、聃n d o w 9 9 5 ，同年发布了d i r e c t ) ( 3 o ， d i l e e 3 0 技众多软硬传厂亵看好，馒褥d 3 d 秀始与0 聱鞠g 0 捻占枣场。瞧姨 这个时候开始，很多翊户知道了d i r e c t ) ( ，也是这个对候开始如现了3 d 加速卡。 以后它借助硬件的强大性能，也可以渲染出高分辨率下的3 2 俄色的3 d 效果。 并在以詹的版本微软瓣宅进幸亍了许多救完善和改进，艇上有微软酶w i n d o w s 操 终系统彳蕈为强大平台支持，徽软想澍角d 豳e t ) c l o 来统一3 d 斑格，蔽丽程硬件 制作上控制相关的硬件生产厂家。 2 3a 蛩e 魏g l 和p 3 d 的垦 l 霪形势 在o p e n g l 2 o 以前，o p g l 的多个版本是s g i 独自开发并发布或者由a r b ( a r c l l i t c c t u r er e v i e wb o 耐) 委员会共同表决后发布的，蔼发熙到o p e n g l2 ，o ， s g 这令烹燕去i 难美农艇疆串疆氆圭螽，嚣虫菇终一令公司3 p l 幻s 公司发布 了。这也难怪，自从a 壬m 的主要成员微软在2 0 0 3 年退出筋m 厢，微软又在2 0 0 5 年做出了“在其新操作系统的m i c r o s o f t v i s t a 模块中作了如下设计：一旦用户使 震o p 豫g l 程彦，要遴避微软夔蠢 。c 敲屡转羧，其效率将辫低5 0 ；瑟嶷这 一功能将只支持至0o p e n g l1 4 【3 2 的举猎，对0 p e n g l 从技术上加以排斥，从而 来推行其d i r e c t ) ( 标准。这对0 口e n 0 l 给与了一个沉重的打击。再加上s g i 公司 其他的一嫩原医，使褥这个图形界老大鲍上市股黎在2 0 0 6 年牵刀还长时间停在一 毅灵有1 灸元不妥的蠢簸接薅豹嚣甏。毽皴软方瓣在筠霉3 秀己镄确表示会 在微软的下一代操作系统s t a 操作系统继续对o p e n g l 继续给以支持，使得 o p e n g l3 + o ( 暂定将继续向下兼容现有的o p e n g l 2 0 ) 可与d x l o 继续共存于 图形枣场p “。 同时d 3 d 在微软体为后盾的情况下，又在技术上已走了邀么些年，无论在 武汉理工大学硕士学位论文 市场还是在技术上都很成熟，加上微软使用了一系列的扶持措施，使得人们对 d i r e c 1 0 怀有很大的期望。 面临这种局面，对我们p c 用户影响相当大的两个显卡老大a t i 和n v d 认 也在朝着两个不同方向发展( 一个方向是适应d 3 d 1 0 ，另一个就是适应o d e n g l 标准) 。 所以从目前形势来看，s g i 倒闭可能已成定数，但o p e n g l 这个标准还存 在，a r b 成员们我相信也不会因为s g i 的倒闭而散伙，况且又出来了一个 3 d l a b s ，所以o p e n g l 和d i r e c t ) 【到底如何还不是一个定数。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章e c d i s 简介 3 1e c d i s 及其标准简介 e c d i s 是一个整合性的系统1 1 7 】，包括电子海图显示系统、定位系统、雷达 避碰系统等。该系统具有海图显示、计划航线设计、危险事件报警、航行记录、 海图自动和手工改正、叠加显示雷达图像，甚至提供辅助操船决策等功能。这 些功能对于传统纸质海图是无法做到的，传统的航海图书资料( 海图、航海通告、 无线电信号表、灯标表等) 都是纸张印刷，通过邮寄分发给各船，修改工作繁杂， 延误时间较长，容易出错。正是由于海图上的资料和数据不能及时更新而导致 海事发生的例子数不胜数。而且在e c d i s 系统里还可以利用基于h l t e m e t 的电子 海图应用平台( w e b c h 6 舯) 进行信息接收，可以使用浏览器查询或获取 w c b c h a r t 站点中改正后的电子海图信息或升级文件。这样航海图书资料就能 及时的准确更新，这对船舶航行安全意义极为重大。 在1 9 9 5 年月，i m o 讨论通过了e c d i s 的性能标准，此标准明确规定：e c d i s 可以作为“1 9 7 4s o l a s ”公约所要求的纸海图的等价物。这个标准的主要内容包 括序言、e c d i s 的定义、系统电子导航海图s e n c 信息的显示、海图信息的提 供与改正、比例尺、其他导航信息的显示、显示方式和相邻区域的生成、颜色 和符号、显示要求、航线设计、航路监视和航行记录、精度等包含了纸质海图 的内容而又增加了纸质海图所不能拥有的信息。正是由于m l o 的这个标准对电子 海图的发展奠定了良好的基础。这以后，m o ( 国际水道测量组织) 在1 9 9 6 年1 2 月增补通过了关于电子海图内容、图标、颜色和e c d i s 显示系统的规范，简称o s 5 2 ( 第五版) 规范【j ，又在2 0 0 0 年1 1 月珊o 公布了它的s 5 7 ( 3 1 版) 。s 5 2 是关于电子海图的显示规范的，而s 5 7 标准是关于数字化水文数据的转换和传输 的标准，它包括物标分类、s 5 7 数据格式、e n c 数据库的性能标准以及e n c