鄒長軍，尹 勇，劉秀文，李海江

(大連海事大學 航海動態(tài)仿真和控制實驗室，遼寧 大連 116021)

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海面溢油可視化新方法的研究與實現(xiàn)

鄒長軍，尹 勇，劉秀文，李海江

(大連海事大學 航海動態(tài)仿真和控制實驗室，遼寧 大連 116021)

針對現(xiàn)有溢油可視化方法的優(yōu)缺點，研究一種新的海面溢油可視化方法，提出采用紋理投影的方法實現(xiàn)海上溢油的可視化，并針對紋理投影方法導致的邊緣鋸齒現(xiàn)象進行高斯平滑濾波，實現(xiàn)了紋理邊緣的平滑過渡，取得了良好的動態(tài)可視化效果。該方法已成功應用于“溢油應急三維演練系統(tǒng)”中，證明了該方法的有效性和可靠性。

交通運輸工程；海面溢油；可視化；紋理投影；高斯濾波

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和國際經(jīng)濟對石油等相關(guān)產(chǎn)品的依賴，海上石油運輸占據(jù)著越來越重要的地位。同時隨著世界航運的發(fā)展，船舶數(shù)量的增加，船員隊伍素質(zhì)的參差不齊，海上事故也隨之增加。在此背景下加強應急人員的培訓和演練尤為重要。通過應急演練的開展可以對演練中暴露出的問題和不足進行總結(jié)，對應急預案進行修改和完善，使之更具有針對性、實用性、可操作性[1]。構(gòu)建基于VR技術(shù)的海上溢油訓練模擬系統(tǒng)，可大大提高培訓人員的應急能力，減少實際應急訓練的成本。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是“真實感海上溢油三維場景”，如何高效、逼真地實現(xiàn)海上溢油場景的動態(tài)可視化是一個十分有挑戰(zhàn)性的課題。

現(xiàn)有的海面溢油可視化成果中，相關(guān)學者主要采用的是基于油粒子方法和平面反射技術(shù)進行可視化，如李久松[2]、YU Feng等[3]、REN Hongxiang等[4]、呂憧憬等[5]和榮占東[6]。由于其方法是根據(jù)鏡面反射原理，將可視化對象反射到海面上，同“水中倒影”一樣將可視化對象反射到海面，該方法由于受到入射角和反射角的影響，海面溢油的可視范圍受到觀察者的觀察角度及海面背景的影響，因此存在著一定的“盲區(qū)”，特別是在靠近溢油的區(qū)域該現(xiàn)象尤為明顯；其次由于基于油粒子的方法繪制的溢油塊是不連續(xù)的，無法再現(xiàn)整塊成片溢油的可視化。再次，現(xiàn)有的油粒子方法中，雖然能夠?qū)蝹€粒子設置油膜紋理，但是由于所采用是離散粒子形式，無法再現(xiàn)整體油膜紋理的效果，無法體現(xiàn)不同油膜紋理效果，不能良好地再現(xiàn)海上不同油品溢油的效果。因此現(xiàn)有的油粒子方法雖然能夠模擬海上溢油的效果，但是其可視化的效果仍然不夠理想。針對海上溢油可視化方法存在的問題，筆者提出了基于投影紋理的海上溢油可視化新方法，并針對該方法中存在問題提出了相應的解決方案。

1 海上溢油模型

1.1 溢油擴散基礎(chǔ)理論

海上溢油模型是海上溢油模擬的核心問題，針對該問題，相關(guān)學者進行了諸多的研究。根據(jù)現(xiàn)有的溢油模型理論，海上溢油過程主要分為4個階段，分別為：油自身擴展、溢油漂移、溢油蒸發(fā)和溢油乳化等4個階段，以下分別介紹這4個過程的模型。海上溢油可視化方法中溢油的擴展、漂移等過程的運動規(guī)律必須符合溢油擴散的基礎(chǔ)理論，并用其計算溢油擴展、漂移等過程中油粒子的位置。

1.2 溢油自身擴展模型

J.A.FAY[7]根據(jù)平靜海面的動力學方程，考慮了重力、黏性和表面張力對溢油自身擴展的作用，并在不同的擴展階段忽略次要作用項，保留主要作用項，得到油膜擴展半徑的半理論、半經(jīng)驗等3階段計算公式。該理論認為油膜的擴展始終保持圓形。這3個階段分別為重力和慣性力作用階段、重力和黏性力作用階段、表面張力和黏性力作用階段。

(1)

式中：r1(t)、r2(t)、r3(t)分別為3個階段的擴展直徑；K1、K2、K3分別為各擴展階段的經(jīng)驗系數(shù)，通常取K1=1.14，K2=0.98～1.5，K3=0.13～2.3；Δ為運動黏滯系數(shù)；g為重力加速度；V為溢油體積；t為時間；ρo和ρw分別為油和海水的密度；σ為凈表面張力；δwa、δoa、δow分別為水和空氣間、油和空氣間、油和水間的界面張力。

上述各階段的臨界時間如式(2)：

(2)

當油膜連續(xù)擴展，油膜厚度減到某一臨界值時，在波浪和表面湍流的作用下，油膜被撕裂成碎片，即進入碎片紊動階段，并形成連續(xù)油膜的最大面積。得到的擴展終止時的面積如式(3)：

Af=Kf(σ2V6/ρ2vD3S6)1/8

(3)

式中：Af為擴展終止時的面積；S為油的溶解度；D為石油的表面活化劑在水中的擴展系數(shù)；Kf為待定系數(shù)。

由于Kf，S，D很難確定，所以通常使用經(jīng)驗公式計算擴展終止面積和時間，如式(4)：

(4)

1.3 溢油漂移模型

D.P.HOULT等[8]建立漂移方程，油膜邊緣上任意點在不同時間t，不同方向上的漂移速度ǔT(t，θ)為：

-ǔT(t，θ)=ǔc+Kwǔ10

(5)

式中：ǔT為表面海流速度矢量；ǔ10為當?shù)睾Ｃ嫔?0 m處的風速矢量；ǔc為流速；Kw為風漂流系數(shù)，根據(jù)黃禮賢等[9]的實驗數(shù)據(jù)，Kw=0.035。

若知道海流的流向、海面上10 m處的風向后，可用式(6)計算油膜漂移方向和海流的流向之間的夾角：

(6)

式中：γ為油膜漂移方向和海流的流向之間的夾角；Vw、Vs分別為海流流速和海面10 m處的風速；K為風海流系數(shù)；φ為海流流向和海面10 m處風向的夾角。

利用式(5)、(6)可計算出油膜邊緣上任意點的速度，即可得出相應點的位移，從而預報出油膜的漂移運動軌跡。

1.4 溢油蒸發(fā)模型

STIVER & MACKAY模型是在MACKAY & MATSSUGU模型[10-11]基礎(chǔ)上建立的，其形式有兩種，如式(7)、式(8)：

(7)

(8)

式中：F為蒸發(fā)體積分數(shù)；A、B、T0、TG分別為從蒸餾曲線導出的常數(shù)；T為溫度；Θ為溢油蒸發(fā)曲線斜率；k2為蒸發(fā)質(zhì)量遷移系數(shù)；h為油膜厚度。

1.5 溢油乳化模型

MACKAY & MATSSUGU模型[10]可預測多數(shù)油在給定的高風速下迅速乳化過程，如式(9)：

Δw=kn(U+1)2(1-kbw)Δt

(9)

式中：Δw為吸水速率；w為含水率；kn為經(jīng)驗常數(shù)；U為風速；t為時間；kb為常數(shù)，一般取kb=1.33。

2 基于投影紋理的海面溢油可視化

2.1 新方法優(yōu)點

由于溢油多邊形在通過像素著色器進行投影變換之后，再通過片元著色器與海面進行融合，所以溢油與海面即融為一體，不受觀察者觀察角度的影響，不存在“盲區(qū)”。而且所有計算都在著色器中進行，充分利用了的圖形卡的并行計算能力，大大提升了計算的效率。

此外，基于紋理投影方法還有比普通紋理貼圖更強的適用性。在紋理貼圖中，需要計算幾何體的每個頂點紋理坐標，對復雜表面往往很難實現(xiàn)。而投影紋理方法不需要計算幾何體表面頂點坐標，可適用于多種復雜表面，且不需要更改相關(guān)的投影代碼即可實現(xiàn)不同表面的投影。

2.2 紋理投影方法簡介

簡而言之，紋理投影方法與投影機工作原理類似。其最重要的一點就是確定紋理坐標，紋理坐標的確定依賴于物體表面點相對位置和投影機位置。為把紋理投影到一個表面上，需要根據(jù)表面點位置和投影源來確定紋理坐標?？砂淹队霸醋鳛橐粋€攝像機，位于場景的某處，就像OpenGL中定義一個攝像機一樣，該投影坐標系統(tǒng)的中心點位于投影源所在的位置，視圖矩陣Mview將坐標轉(zhuǎn)化到投影坐標系統(tǒng)，透視投影矩陣Mproj將視景體轉(zhuǎn)換為一個大小為2的視景體，其中心點位于投影坐標系統(tǒng)的原點。但由于規(guī)格化的投影空間是[-1，1]，而紋理坐標是[0，1]，因此需要把這個視景體轉(zhuǎn)化到[0，1]中，可以先把其縮小1/2，然后再平移1/2，這樣就轉(zhuǎn)化到了[0，1] 上。得到的變換矩陣如式(10)：

(10)

式中：Mworld為需要計算的世界坐標系下的紋理坐標；P為局部坐標系下紋理坐標；Mproj為投影矩陣；Mview為視矩陣。

從上述過程可看出：該方法首先對紋理坐標進行投影變換，之后再進行視景變換得到世界空間中紋理的實際坐標，最后在片元著色器中根據(jù)該坐標與實際的背景進行融合，得到融合之后的效果。另外，由于該方法是在片元著色器中進行融合，融合之后的效果更加自然，實現(xiàn)方式更簡單。

由于以往的紋理貼圖方式需要先計算各個定點的紋理坐標，然后根據(jù)計算的紋理坐標進行貼圖；而筆者提出的本方法不需要計算頂點紋理坐標，該算法與三維模型無關(guān)，因此具有通用性。

2.3 基于高斯平滑濾波的邊緣鋸齒效果的改善

由于紋理投影的方法是將溢油多邊形映射為紋理，而紋理的分辨率是有限的，這就導致紋理的可視化效果受到紋理像素分辨率的影響。若分辨率較低時，邊緣會出現(xiàn)明顯的鋸齒現(xiàn)象。為此筆者采用高斯平滑濾波法[12-14]進行紋理處理的平滑濾波，改善邊緣的鋸齒效應。

高斯濾波就是對整幅圖像進行加權(quán)平均的過程，每一個像素點的值，都由其本身和鄰域內(nèi)的其他像素值經(jīng)過加權(quán)平均后得到。高斯濾波的具體操作是：用一個如式(11)的模板掃描圖像中的每一個像素，用模板確定的鄰域內(nèi)像素的加權(quán)平均灰度值去替代模板中心像素點的值。由圖1可見，采用高斯平滑濾波法進行紋理處理的平滑濾波后，邊緣的鋸齒效應大大改善。

(11)

圖1 平滑濾波Fig. 1 Smoothing filter

2.4 海面溢油可視化方法的實現(xiàn)

基于紋理投影方法的海面溢油可視化的流程如圖2。

根據(jù)溢油模型計算溢油多邊形各定點坐標，并將計算后的溢油多邊形進行紋理烘培[13](rendering to texture，RTT)生成溢油多邊形紋理，將該紋理進行投影變換得到世界坐標系下投影變換后的紋理坐標，在片元著色器中進行融合，輸出渲染效果。

像素融合如式(12)：

Tout=αTbk+(1-α)Toil

(12)

式中：α為背景所占的比重；Tout、Tbk、Toil分別為輸出、背景和油膜的像素顏色值。

圖2 紋理投影流程Fig. 2 Flow chart of texture projection

圖3是海面油膜紋理投影融合之前和融合之后的效果。圖4為基于紋理投影方法應用于復雜表面的效果，分別顯示了不同紋理投影到不同表面時的效果。由圖3、圖4可以看出：基于紋理投影的方法對于復雜表面也具有較好的效果。

圖3 油膜紋理與海面融合前后的效果Fig. 3 Results before and after oil film texture and sea blending

圖4 復雜表面投影效果Fig. 4 Projection effect of complex target

圖5為不同海況下海面和油膜的動態(tài)融合效果。由圖5可看出：該系統(tǒng)運行流暢，溢油紋理和海面融為一體。證明該方法對于動態(tài)幾何對象仍然具有良好的可視化效果，顯示了該方法對于動態(tài)幾何模型也具有良好的適應能力。

圖5 不同海況油膜在海面動態(tài)可視化效果Fig. 5 Dynamic visualization result of oil film in different sea conditions

2.5 與溢油方法的比較

為了進一步將筆者提出的方法與已有的方法進行對比，分別將前人的溢油可視化效果進行了對比。如圖6(a)～(c)分別為李久松[2]、REN Hongxiang等[4]、呂憧憬等[5]采用油粒子方法實現(xiàn)的海面溢油可視化效果。從圖6中可看出：當溢油擴散到一定階段時，基于溢粒子的油膜可視化效果已經(jīng)出現(xiàn)了破碎，這是由于系統(tǒng)中的油粒子已經(jīng)無法完全覆蓋溢油區(qū)域，中間出現(xiàn)了空隙導致的，因而無法體現(xiàn)油膜整體的可視化效果。

3 應用案例

筆者提出的溢油可視化新方法已經(jīng)成功應用于基于VR技術(shù)的海上溢油應急訓練系統(tǒng)中。

3.1 海上溢油應急訓練系統(tǒng)的組成

海上溢油應急訓練系統(tǒng)主要由兩大模塊組成：溢油應急演練導演臺和溢油應急演練操作單元，系統(tǒng)通過局域網(wǎng)連接，系統(tǒng)模塊如圖7。

3.2 硬件平臺及測試結(jié)果

硬件平臺：Core2 處理器，GT430顯卡，DDR3內(nèi)存2 G。

操作系統(tǒng)：Windows 7 操作系統(tǒng)。

場景三維模型大?。?64 M。

圖7 系統(tǒng)組成Fig. 7 System composition

三維渲染采用OSG(open scene graph)渲染引擎[15]，動態(tài)海面采用OSG Ocean插件。

幀率：48幀。

案例模擬兩條船舶拖帶圍油欄進行圍油作業(yè)，圍油欄長度為200 m，拖帶速度為4節(jié)，運行幀率為48幀以上，如圖8。

圖8 溢油可視化效果Fig. 8 Visualization of oil spill

4 結(jié) 語

筆者針對現(xiàn)有的海面溢油可視化方法進行總結(jié)，提出了基于紋理投影技術(shù)的海面溢油可視化新方法，解決了傳統(tǒng)海面溢油可視化方法存在“盲區(qū)”的問題。

該方法不僅能夠適用于不同的靜態(tài)復雜表面，而且針對動態(tài)復雜表面依舊具有很好的可視化效果，具有很強的適用性。對不同表面進行投影測試，取得了良好的可視化效果。

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(責任編輯：劉 韜)

Research and Implementation of a New Method of Visualization of Oil Spill at Sea Surface

ZOU Changjun，YIN Yong，LIU Xiuwen，LI Haijiang

(Laboratory of Marine Dynamic Simulation & Control，Dalian Maritime University，Dalian 116021，Liaoning，P.R.China)

A new visualization method of oil spill at sea surface was researched after analyzing the advantages and disadvantages of the present methods in oil spill visualization.Texture projection was proposed to implement the dynamic visualization of oil spill at sea surface.Besides that，Gauss smooth filter was used to make the edge smoother in the transition of the texture edge caused by texture projection，and a good dynamic visualization was achieved.The proposed method has been applied in “3D Oil Spill Emergency Response System” successfully，which proves that the proposed method is effective and reliable.

traffic and transportation engineering; oil spill at sea surface; visualization; texture projection; Gauss filter

2016-02-21；

2017-02-22

國家“863”課題項目(2015AA016404)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(3132016310)；海洋公益性行業(yè)科研專項基金項目(201505017- 4)

鄒長軍(1987—)，男，江西九江人，博士研究生，主要從事航海動態(tài)仿真、海上溢油模擬等方面的研究。E-mail：zoucj2006@163.com。

尹 勇(1969—)，男，湖北鄖縣人，教授，博士生導師，主要從事航海動態(tài)仿真、交通系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)等方面的研究。E-mail：bushyin@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.17

U698.7；X52

A

1674-0696(2017)06-103-06