基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法与流程

1.本发明涉及海洋表面运动仿真技术领域，更具体地说，本发明涉及基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法。


背景技术：

2.快速傅里叶变换(fast fourier transform),即利用计算机计算离散傅里叶变换(dft)的高效、快速计算方法的统称，简称fft。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数n越多，fft算法计算量的节省就越显著。
3.海洋表面运动是一种自然的复杂的随机过程，对真实海面的模拟，有多种方法。如基于流体物理运动的粒子模拟，这种方法的缺陷是计算量非常大，不能适用于大规模海面的模拟。在渲染小规模水体时，会有很好的效果。一种是从波浪的几何形状出发，通过构造一定的数学函数，来模拟近似的海洋表面，这种方法海浪的逼真度不是很好，人为痕迹严重。还有是基于海洋观测数据，采用适当的海浪波谱模拟海面波浪，这种方法计算比较复杂。总而言之，现有技术中海面建模方法计算困难，逼真度差
4.为此，我们提出了一种基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法来解决上述问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法，实现了海水随着风力的变化而变化，实现了海浪的反射以及折射，光照效果。渲染效率非常高，海面动态效果也很逼真，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法，具体包括以下步骤：
7.步骤一：生成海面高度场纹理，全部海面高度场纹理生成；
8.步骤二：生成法向量和雅克比系数纹理，全局海面法向量和雅克比系数纹理生成；
9.步骤三：生成海底地形高度场，海底地形高度场纹理生成；
10.步骤四：映射到纹理坐标，海洋顶点地理坐标映射到纹理坐标；
11.步骤五：采样，采样海洋顶点属性；
12.步骤六：计算光照效果，计算海洋顶点折射和反射光照效果；
13.步骤七：表现颜色，采样海底高程计算出海面透明度，表现出浅海深海的颜色过度；
14.步骤八：输出颜色结果，rgb颜色转换输出到帧缓冲区。
15.在一个优选的实施方式中，所述步骤一中全部海面高度场纹理生成方式可选用地景仿真、曲面拟合地形仿真和基于真实地形数据的多边形模拟中的某一种。
16.在一个优选的实施方式中，所述步骤四中海洋顶点通过采集海浪的顶点生成，所
述海浪模型可以通过统计学海浪模型生成。
17.在一个优选的实施方式中，所述步骤四中海洋顶点通过采集海浪的顶点生成，所述海浪模型可以通过fft海浪模型生成。
18.在一个优选的实施方式中，所述步骤五中采样海洋顶点属性通过对浪花采样来确定，浪花位置通过雅克比行列式值来确定浪花位置和强度。
19.在一个优选的实施方式中，所述采样时，海浪中比较尖锐的波形可以通过挤压现有波形来得到，即保持波高不变只在水平方向上移动。
20.在一个优选的实施方式中，所述步骤一中海面波浪模型通过海波扩散关系构造，根据线性波浪理论，可以通过多个随机余弦波叠加构造海浪。
21.在一个优选的实施方式中，一种存储介质，所述存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行权利要求1-8任意一项所述的基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法。
22.一种电子设备，包括：
23.至少一个处理器；以及，
24.与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
25.所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-8任意一项所述的基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法。
26.本发明的技术效果和优点：
27.1、通过本发明设计的海面仿真方法，与现有技术相比，实现了海水随着风力的变化而变化，实现了海浪的反射以及折射，光照效果。渲染效率非常高，海面动态效果也很逼真；
28.2、通过本发明设计的海面建模仿真方法，与现有技术相比，结合已有的海洋观测数据，利用当下相对强大的gpu计算能力，利用vulkan与渲染无缝结合的计算管线，使用fft方法仿真三维海面。这种方法不仅计算量小，而且可以仿真任意海况，运行效率很高。
附图说明
29.图1为本发明提供的基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法的流程示意图。
30.图2为本提供的基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法的拓扑图。
31.图3为本发明实施例所提供的用于提供的基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法的的电子设备的结构示意图。
32.图中：1100、电子设备；1110、处理器；1120、通信接口；1130、存储器；1140、总线；1200、存储介质；1201、磁性存储器；1202、光学存储器；1203、半导体存储器；1204、非易失性存储器；1205、固态硬盘。
具体实施方式
33.下面将结合本发明中的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于本发明保护的范围。
34.实施例1：
35.本发明实施例提供了基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法，具体包括以下步骤：
36.步骤一：生成海面高度场纹理，全部海面高度场纹理生成；
37.步骤二：生成法向量和雅克比系数纹理，全局海面法向量和雅克比系数纹理生成；
38.步骤三：生成海底地形高度场，海底地形高度场纹理生成；
39.步骤四：映射到纹理坐标，海洋顶点地理坐标映射到纹理坐标；
40.步骤五：采样，采样海洋顶点属性；
41.步骤六：计算光照效果，计算海洋顶点折射和反射光照效果；
42.步骤七：表现颜色，采样海底高程计算出海面透明度，表现出浅海深海的颜色过度；
43.步骤八：输出颜色结果，rgb颜色转换输出到帧缓冲区。
44.具体的，所述步骤一中全部海面高度场纹理生成方式是基于真实地形数据的多边形模拟，把对应的遥感图像﹑航拍照片经过处理后作为地形纹理,但是如果图像数据不全,或者分辨率达不到要求,就需要研究满足应用需求的地形纹理生成方法，本实施例中可参考(李天培、孙少斌，基于高度图的地形纹理生成方法[d]，装甲兵学院，安徽，蚌埠，233050)，从而动态生成地形纹理图。
[0045]
进一步的，所述步骤四中海洋顶点通过采集海浪的顶点生成，所述海浪模型可以通过统计学海浪模型生成。
[0046]
不得不说的是，所述步骤五中采样海洋顶点属性通过对浪花采样来确定，浪花位置通过雅克比行列式值来确定浪花位置和强度。
[0047]
在另一方面，所述采样时，海浪中比较尖锐的波形可以通过挤压现有波形来得到，即保持波高不变只在水平方向上移动。
[0048]
值得说明的是，所述步骤一中海面波浪模型通过海波扩散关系构造，根据线性波浪理论，可以通过多个随机余弦波叠加构造海浪。
[0049]
实施例2：
[0050]
本发明实施例提供了基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法，基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法，具体包括以下步骤：
[0051]
步骤一：生成海面高度场纹理，全部海面高度场纹理生成；
[0052]
步骤二：生成法向量和雅克比系数纹理，全局海面法向量和雅克比系数纹理生成；
[0053]
步骤三：生成海底地形高度场，海底地形高度场纹理生成；
[0054]
步骤四：映射到纹理坐标，海洋顶点地理坐标映射到纹理坐标；
[0055]
步骤五：采样，采样海洋顶点属性；
[0056]
步骤六：计算光照效果，计算海洋顶点折射和反射光照效果；
[0057]
步骤七：表现颜色，采样海底高程计算出海面透明度，表现出浅海深海的颜色过度；
[0058]
步骤八：输出颜色结果，rgb颜色转换输出到帧缓冲区。
[0059]
具体的，所述步骤一中全部海面高度场纹理生成方式为曲面拟合地形仿真，把对
应的遥感图像﹑航拍照片经过处理后作为地形纹理,但是如果图像数据不全,或者分辨率达不到要求,就需要研究满足应用需求的地形纹理生成方法，本实施例中可参考(李天培、孙少斌，基于高度图的地形纹理生成方法[d]，装甲兵学院，安徽，蚌埠，233050)，从而动态生成地形纹理图。
[0060]
进一步的，所述步骤四中海洋顶点通过采集海浪的顶点生成，所述海浪模型可以通过统计学海浪模型生成。
[0061]
不得不说的是，所述步骤五中采样海洋顶点属性通过对浪花采样来确定，浪花位置通过雅克比行列式值来确定浪花位置和强度。
[0062]
在另一方面，所述采样时，海浪中比较尖锐的波形可以通过挤压现有波形来得到，即保持波高不变只在水平方向上移动。
[0063]
值得说明的是，所述步骤一中海面波浪模型通过海波扩散关系构造，根据线性波浪理论，可以通过多个随机余弦波叠加构造海浪。
[0064]
实施例3：
[0065]
本发明实施例提供了基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法，基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法，具体包括以下步骤：
[0066]
步骤一：生成海面高度场纹理，全部海面高度场纹理生成；
[0067]
步骤二：生成法向量和雅克比系数纹理，全局海面法向量和雅克比系数纹理生成；
[0068]
步骤三：生成海底地形高度场，海底地形高度场纹理生成；
[0069]
步骤四：映射到纹理坐标，海洋顶点地理坐标映射到纹理坐标；
[0070]
步骤五：采样，采样海洋顶点属性；
[0071]
步骤六：计算光照效果，计算海洋顶点折射和反射光照效果；
[0072]
步骤七：表现颜色，采样海底高程计算出海面透明度，表现出浅海深海的颜色过度；
[0073]
步骤八：输出颜色结果，rgb颜色转换输出到帧缓冲区。
[0074]
具体的，所述步骤一中全部海面高度场纹理生成方式为地景仿真，把对应的遥感图像﹑航拍照片经过处理后作为地形纹理,但是如果图像数据不全,或者分辨率达不到要求,就需要研究满足应用需求的地形纹理生成方法，本实施例中可参考(李天培、孙少斌，基于高度图的地形纹理生成方法[d]，装甲兵学院，安徽，蚌埠，233050)，从而动态生成地形纹理图。
[0075]
更进一步的，所述步骤四中海洋顶点通过采集海浪的顶点生成，所述海浪模型可以通过fft海浪模型生成。
[0076]
不得不说的是，所述步骤五中采样海洋顶点属性通过对浪花采样来确定，浪花位置通过雅克比行列式值来确定浪花位置和强度。
[0077]
在另一方面，所述采样时，海浪中比较尖锐的波形可以通过挤压现有波形来得到，即保持波高不变只在水平方向上移动。
[0078]
值得说明的是，所述步骤一中海面波浪模型通过海波扩散关系构造，根据线性波浪理论，可以通过多个随机余弦波叠加构造海浪。
[0079]
实施例4：
[0080]
本实施例提供一种存储介质1200，所述存储介质1200存储有计算机可执行指令，
其包含用于执行上述基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法的程序，该计算机可执行指令可执行实施例1-3中任一种基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法。
[0081]
其中，所述存储介质1200可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器1201(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(mo)等)、光学存储器1202(例如cd、dvd、bd、hvd等)、以及半导体存储器1203(例如rom、eprom、eeprom、非易失性存储器1204(nand flash)、固态硬盘1205(ssd))等。
[0082]
实施例5：
[0083]
图3示出了本发明的另一个实施例的一种电子设备的结构框图。所述电子设备1100可以是具备计算能力的主机服务器、个人计算机pc、或者可携带的便携式计算机或终端等。本发明具体实施例并不对电子设备的具体实现做限定。
[0084]
该电子设备1100包括至少一个处理器(processor)1110、通信接口(communications interface)1120、存储器(memory array)1130和总线1140。其中，处理器1110、通信接口1120、以及存储器1130通过总线1140完成相互间的通信。
[0085]
通信接口1120用于与网元通信，其中网元包括例如虚拟机管理中心、共享存储等。
[0086]
处理器1110用于执行程序。处理器1110可能是一个中央处理器cpu，或者是专用集成电路asic(application specific integrated circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。
[0087]
存储器1130用于可执行的指令。存储器1130可能包含高速ram存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器1130也可以是存储器阵列。存储器1130还可能被分块，并且所述块可按一定的规则组合成虚拟卷。存储器1130存储的指令可被处理器1110执行，以使处理器1110能够执行上述任一实施例中的基于快速傅立叶变换的动态海洋仿真方法。
[0088]
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。