海面溢油可視化新方法的研究與實(shí)現(xiàn)

鄒長軍，尹 勇，劉秀文，李海江

(大連海事大學(xué) 航海動(dòng)態(tài)仿真和控制實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)

鄒長軍，尹 勇，劉秀文，李海江

(大連海事大學(xué) 航海動(dòng)態(tài)仿真和控制實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116021)

針對現(xiàn)有溢油可視化方法的優(yōu)缺點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)海上溢油的可視化，并針對紋理投影方法導(dǎo)致的邊緣鋸齒現(xiàn)象進(jìn)行高斯平滑濾波，實(shí)現(xiàn)了紋理邊緣的平滑過渡，取得了良好的動(dòng)態(tài)可視化效果。該方法已成功應(yīng)用于“溢油應(yīng)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(yùn)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(jì)的發(fā)展和國際經(jīng)濟(jì)對石油等相關(guān)產(chǎn)品的依賴，海上石油運(yùn)輸占據(jù)著越來越重要的地位。同時(shí)隨著世界航運(yùn)的發(fā)展，船舶數(shù)量的增加，船員隊(duì)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(qiáng)應(yīng)急人員的培訓(xùn)和演練尤為重要。通過應(yīng)急演練的開展可以對演練中暴露出的問題和不足進(jìn)行總結(jié)，對應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行修改和完善，使之更具有針對性、實(shí)用性、可操作性[1]。構(gòu)建基于VR技術(shù)的海上溢油訓(xùn)練模擬系統(tǒng)，可大大提高培訓(xùn)人員的應(yīng)急能力，減少實(shí)際應(yīng)急訓(xùn)練的成本。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是“真實(shí)感海上溢油三維場景”，如何高效、逼真地實(shí)現(xiàn)海上溢油場景的動(dòng)態(tài)可視化是一個(gè)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(xué)者主要采用的是基于油粒子方法和平面反射技術(shù)進(jìn)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€(gè)粒子設(shè)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(yīng)的解決方案。

1 海上溢油模型

1.1 溢油擴(kuò)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(xué)者進(jìn)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(gè)階段，分別為：油自身擴(kuò)展、溢油漂移、溢油蒸發(fā)和溢油乳化等4個(gè)階段，以下分別介紹這4個(gè)過程的模型。海上溢油可視化方法中溢油的擴(kuò)展、漂移等過程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律必須符合溢油擴(kuò)散的基礎(chǔ)理論，并用其計(jì)算溢油擴(kuò)展、漂移等過程中油粒子的位置。

1.2 溢油自身擴(kuò)展模型

J.A.FAY[7]根據(jù)平靜海面的動(dòng)力學(xué)方程，考慮了重力、黏性和表面張力對溢油自身擴(kuò)展的作用，并在不同的擴(kuò)展階段忽略次要作用項(xiàng)，保留主要作用項(xiàng)，得到油膜擴(kuò)展半徑的半理論、半經(jīng)驗(yàn)等3階段計(jì)算公式。該理論認(rèn)為油膜的擴(kuò)展始終保持圓形。這3個(gè)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(gè)階段的擴(kuò)展直徑；K1、K2、K3分別為各擴(kuò)展階段的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通常取K1=1.14，K2=0.98～1.5，K3=0.13～2.3；Δ為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)；g為重力加速度；V為溢油體積；t為時(shí)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(shí)間如式(2)：

(2)

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

Af=Kf(σ2V6/ρ2vD3S6)1/8

(3)

式中：Af為擴(kuò)展終止時(shí)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(kuò)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(yàn)公式計(jì)算擴(kuò)展終止面積和時(shí)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(diǎn)在不同時(shí)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(dāng)?shù)睾Ｃ嫔?0 m處的風(fēng)速矢量；ǔc為流速；Kw為風(fēng)漂流系數(shù)，根據(jù)黃禮賢等[9]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Kw=0.035。

若知道海流的流向、海面上10 m處的風(fēng)向后，可用式(6)計(jì)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(fēng)速；K為風(fēng)海流系數(shù)；φ為海流流向和海面10 m處風(fēng)向的夾角。

利用式(5)、(6)可計(jì)算出油膜邊緣上任意點(diǎn)的速度，即可得出相應(yīng)點(diǎn)的位移，從而預(yù)報(bào)出油膜的漂移運(yùn)動(dòng)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?jǐn)?shù)；A、B、T0、TG分別為從蒸餾曲線導(dǎo)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(yù)測多數(shù)油在給定的高風(fēng)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(yàn)常數(shù)；U為風(fēng)速；t為時(shí)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(diǎn)

由于溢油多邊形在通過像素著色器進(jìn)行投影變換之后，再通過片元著色器與海面進(jìn)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(jì)算都在著色器中進(jìn)行，充分利用了的圖形卡的并行計(jì)算能力，大大提升了計(jì)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(qiáng)的適用性。在紋理貼圖中，需要計(jì)算幾何體的每個(gè)頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)，對復(fù)雜表面往往很難實(shí)現(xiàn)。而投影紋理方法不需要計(jì)算幾何體表面頂點(diǎn)坐標(biāo)，可適用于多種復(fù)雜表面，且不需要更改相關(guān)的投影代碼即可實(shí)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(jī)工作原理類似。其最重要的一點(diǎn)就是確定紋理坐標(biāo)，紋理坐標(biāo)的確定依賴于物體表面點(diǎn)相對位置和投影機(jī)位置。為把紋理投影到一個(gè)表面上，需要根據(jù)表面點(diǎn)位置和投影源來確定紋理坐標(biāo)?？砂淹队霸醋鳛橐粋€(gè)攝像機(jī)，位于場景的某處，就像OpenGL中定義一個(gè)攝像機(jī)一樣，該投影坐標(biāo)系統(tǒng)的中心點(diǎn)位于投影源所在的位置，視圖矩陣Mview將坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到投影坐標(biāo)系統(tǒng)，透視投影矩陣Mproj將視景體轉(zhuǎn)換為一個(gè)大小為2的視景體，其中心點(diǎn)位于投影坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)。但由于規(guī)格化的投影空間是[-1，1]，而紋理坐標(biāo)是[0，1]，因此需要把這個(gè)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(jì)算的世界坐標(biāo)系下的紋理坐標(biāo)；P為局部坐標(biāo)系下紋理坐標(biāo)；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(biāo)進(jìn)行投影變換，之后再進(jìn)行視景變換得到世界空間中紋理的實(shí)際坐標(biāo)，最后在片元著色器中根據(jù)該坐標(biāo)與實(shí)際的背景進(jìn)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(jìn)行融合，融合之后的效果更加自然，實(shí)現(xiàn)方式更簡單。

由于以往的紋理貼圖方式需要先計(jì)算各個(gè)定點(diǎn)的紋理坐標(biāo)，然后根據(jù)計(jì)算的紋理坐標(biāo)進(jìn)行貼圖；而筆者提出的本方法不需要計(jì)算頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)，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(dǎo)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(shí)，邊緣會(huì)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(jìn)行紋理處理的平滑濾波，改善邊緣的鋸齒效應(yīng)。

高斯濾波就是對整幅圖像進(jìn)行加權(quán)平均的過程，每一個(gè)像素點(diǎn)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(gè)如式(11)的模板掃描圖像中的每一個(gè)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(diǎn)的值。由圖1可見，采用高斯平滑濾波法進(jìn)行紋理處理的平滑濾波后，邊緣的鋸齒效應(yīng)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(shí)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(jì)算溢油多邊形各定點(diǎn)坐標(biāo)，并將計(jì)算后的溢油多邊形進(jìn)行紋理烘培[13](rendering to texture，RTT)生成溢油多邊形紋理，將該紋理進(jìn)行投影變換得到世界坐標(biāo)系下投影變換后的紋理坐標(biāo)，在片元著色器中進(jìn)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(yīng)用于復(fù)雜表面的效果，分別顯示了不同紋理投影到不同表面時(shí)的效果。由圖3、圖4可以看出：基于紋理投影的方法對于復(fù)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(fù)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(dòng)態(tài)融合效果。由圖5可看出：該系統(tǒng)運(yùn)行流暢，溢油紋理和海面融為一體。證明該方法對于動(dòng)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(dòng)態(tài)幾何模型也具有良好的適應(yīng)能力。

圖5 不同海況油膜在海面動(dòng)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(jìn)一步將筆者提出的方法與已有的方法進(jìn)行對比，分別將前人的溢油可視化效果進(jìn)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(shí)現(xiàn)的海面溢油可視化效果。從圖6中可看出：當(dāng)溢油擴(kuò)散到一定階段時(shí)，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(dǎo)致的，因而無法體現(xiàn)油膜整體的可視化效果。

3 應(yīng)用案例

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

3.1 海上溢油應(yīng)急訓(xùn)練系統(tǒng)的組成

海上溢油應(yīng)急訓(xùn)練系統(tǒng)主要由兩大模塊組成：溢油應(yīng)急演練導(dǎo)演臺(tái)和溢油應(yīng)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(tái)及測試結(jié)果

硬件平臺(tái)：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)。

場景三維模型大小：464 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(dòng)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(jìn)行圍油作業(yè)，圍油欄長度為200 m，拖帶速度為4節(jié)，運(yùn)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(jìn)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(fù)雜表面，而且針對動(dòng)態(tài)復(fù)雜表面依舊具有很好的可視化效果，具有很強(qiáng)的適用性。對不同表面進(jìn)行投影測試，取得了良好的可視化效果。

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(責(zé)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(xiàng)目(2015AA016404)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(3132016310)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金項(xiàng)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(dòng)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(dǎo)師，主要從事航海動(dòng)態(tài)仿真、交通系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)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