邹长军，尹 勇，刘秀文，李海江

(大连海事大学 航海动态仿真和控制实验室，辽宁 大连 116021)



海面溢油可视化新方法的研究与实现

邹长军，尹 勇，刘秀文，李海江

(大连海事大学 航海动态仿真和控制实验室，辽宁 大连 116021)

针对现有溢油可视化方法的优缺点，研究一种新的海面溢油可视化方法，提出采用纹理投影的方法实现海上溢油的可视化，并针对纹理投影方法导致的边缘锯齿现象进行高斯平滑滤波，实现了纹理边缘的平滑过渡，取得了良好的动态可视化效果。该方法已成功应用于“溢油应急三维演练系统”中，证明了该方法的有效性和可靠性。

交通运输工程；海面溢油；可视化；纹理投影；高斯滤波

随着我国经济的发展和国际经济对石油等相关产品的依赖，海上石油运输占据着越来越重要的地位。同时随着世界航运的发展，船舶数量的增加，船员队伍素质的参差不齐，海上事故也随之增加。在此背景下加强应急人员的培训和演练尤为重要。通过应急演练的开展可以对演练中暴露出的问题和不足进行总结，对应急预案进行修改和完善，使之更具有针对性、实用性、可操作性[1]。构建基于VR技术的海上溢油训练模拟系统，可大大提高培训人员的应急能力，减少实际应急训练的成本。该系统的关键技术之一是“真实感海上溢油三维场景”，如何高效、逼真地实现海上溢油场景的动态可视化是一个十分有挑战性的课题。

现有的海面溢油可视化成果中，相关学者主要采用的是基于油粒子方法和平面反射技术进行可视化，如李久松[2]、YU Feng等[3]、REN Hongxiang等[4]、吕憧憬等[5]和荣占东[6]。由于其方法是根据镜面反射原理，将可视化对象反射到海面上，同“水中倒影”一样将可视化对象反射到海面，该方法由于受到入射角和反射角的影响，海面溢油的可视范围受到观察者的观察角度及海面背景的影响，因此存在着一定的“盲区”，特别是在靠近溢油的区域该现象尤为明显；其次由于基于油粒子的方法绘制的溢油块是不连续的，无法再现整块成片溢油的可视化。再次，现有的油粒子方法中，虽然能够对单个粒子设置油膜纹理，但是由于所采用是离散粒子形式，无法再现整体油膜纹理的效果，无法体现不同油膜纹理效果，不能良好地再现海上不同油品溢油的效果。因此现有的油粒子方法虽然能够模拟海上溢油的效果，但是其可视化的效果仍然不够理想。针对海上溢油可视化方法存在的问题，笔者提出了基于投影纹理的海上溢油可视化新方法，并针对该方法中存在问题提出了相应的解决方案。

1 海上溢油模型

1.1 溢油扩散基础理论

海上溢油模型是海上溢油模拟的核心问题，针对该问题，相关学者进行了诸多的研究。根据现有的溢油模型理论，海上溢油过程主要分为4个阶段，分别为：油自身扩展、溢油漂移、溢油蒸发和溢油乳化等4个阶段，以下分别介绍这4个过程的模型。海上溢油可视化方法中溢油的扩展、漂移等过程的运动规律必须符合溢油扩散的基础理论，并用其计算溢油扩展、漂移等过程中油粒子的位置。

1.2 溢油自身扩展模型

J.A.FAY[7]根据平静海面的动力学方程，考虑了重力、黏性和表面张力对溢油自身扩展的作用，并在不同的扩展阶段忽略次要作用项，保留主要作用项，得到油膜扩展半径的半理论、半经验等3阶段计算公式。该理论认为油膜的扩展始终保持圆形。这3个阶段分别为重力和惯性力作用阶段、重力和黏性力作用阶段、表面张力和黏性力作用阶段。

(1)

式中：r1(t)、r2(t)、r3(t)分别为3个阶段的扩展直径；K1、K2、K3分别为各扩展阶段的经验系数，通常取K1=1.14，K2=0.98～1.5，K3=0.13～2.3；Δ为运动黏滞系数；g为重力加速度；V为溢油体积；t为时间；ρo和ρw分别为油和海水的密度；σ为净表面张力；δwa、δoa、δow分别为水和空气间、油和空气间、油和水间的界面张力。

上述各阶段的临界时间如式(2)：

(2)

当油膜连续扩展，油膜厚度减到某一临界值时，在波浪和表面湍流的作用下，油膜被撕裂成碎片，即进入碎片紊动阶段，并形成连续油膜的最大面积。得到的扩展终止时的面积如式(3)：

Af=Kf(σ2V6/ρ2vD3S6)1/8

(3)

式中：Af为扩展终止时的面积；S为油的溶解度；D为石油的表面活化剂在水中的扩展系数；Kf为待定系数。

由于Kf，S，D很难确定，所以通常使用经验公式计算扩展终止面积和时间，如式(4)：

(4)

1.3 溢油漂移模型

D.P.HOULT等[8]建立漂移方程，油膜边缘上任意点在不同时间t，不同方向上的漂移速度ǔT(t，θ)为：

-ǔT(t，θ)=ǔc+Kwǔ10

(5)

式中：ǔT为表面海流速度矢量；ǔ10为当地海面上10 m处的风速矢量；ǔc为流速；Kw为风漂流系数，根据黄礼贤等[9]的实验数据，Kw=0.035。

若知道海流的流向、海面上10 m处的风向后，可用式(6)计算油膜漂移方向和海流的流向之间的夹角：

(6)

式中：γ为油膜漂移方向和海流的流向之间的夹角；Vw、Vs分别为海流流速和海面10 m处的风速；K为风海流系数；φ为海流流向和海面10 m处风向的夹角。

利用式(5)、(6)可计算出油膜边缘上任意点的速度，即可得出相应点的位移，从而预报出油膜的漂移运动轨迹。

1.4 溢油蒸发模型

STIVER & MACKAY模型是在MACKAY & MATSSUGU模型[10-11]基础上建立的，其形式有两种，如式(7)、式(8)：

(7)

(8)

式中：F为蒸发体积分数；A、B、T0、TG分别为从蒸馏曲线导出的常数；T为温度；Θ为溢油蒸发曲线斜率；k2为蒸发质量迁移系数；h为油膜厚度。

1.5 溢油乳化模型

MACKAY & MATSSUGU模型[10]可预测多数油在给定的高风速下迅速乳化过程，如式(9)：

Δw=kn(U+1)2(1-kbw)Δt

(9)

式中：Δw为吸水速率；w为含水率；kn为经验常数；U为风速；t为时间；kb为常数，一般取kb=1.33。

2 基于投影纹理的海面溢油可视化

2.1 新方法优点

由于溢油多边形在通过像素着色器进行投影变换之后，再通过片元着色器与海面进行融合，所以溢油与海面即融为一体，不受观察者观察角度的影响，不存在“盲区”。而且所有计算都在着色器中进行，充分利用了的图形卡的并行计算能力，大大提升了计算的效率。

此外，基于纹理投影方法还有比普通纹理贴图更强的适用性。在纹理贴图中，需要计算几何体的每个顶点纹理坐标，对复杂表面往往很难实现。而投影纹理方法不需要计算几何体表面顶点坐标，可适用于多种复杂表面，且不需要更改相关的投影代码即可实现不同表面的投影。

2.2 纹理投影方法简介

简而言之，纹理投影方法与投影机工作原理类似。其最重要的一点就是确定纹理坐标，纹理坐标的确定依赖于物体表面点相对位置和投影机位置。为把纹理投影到一个表面上，需要根据表面点位置和投影源来确定纹理坐标。可把投影源作为一个摄像机，位于场景的某处，就像OpenGL中定义一个摄像机一样，该投影坐标系统的中心点位于投影源所在的位置，视图矩阵Mview将坐标转化到投影坐标系统，透视投影矩阵Mproj将视景体转换为一个大小为2的视景体，其中心点位于投影坐标系统的原点。但由于规格化的投影空间是[-1，1]，而纹理坐标是[0，1]，因此需要把这个视景体转化到[0，1]中，可以先把其缩小1/2，然后再平移1/2，这样就转化到了[0，1] 上。得到的变换矩阵如式(10)：

(10)

式中：Mworld为需要计算的世界坐标系下的纹理坐标；P为局部坐标系下纹理坐标；Mproj为投影矩阵；Mview为视矩阵。

从上述过程可看出：该方法首先对纹理坐标进行投影变换，之后再进行视景变换得到世界空间中纹理的实际坐标，最后在片元着色器中根据该坐标与实际的背景进行融合，得到融合之后的效果。另外，由于该方法是在片元着色器中进行融合，融合之后的效果更加自然，实现方式更简单。

由于以往的纹理贴图方式需要先计算各个定点的纹理坐标，然后根据计算的纹理坐标进行贴图；而笔者提出的本方法不需要计算顶点纹理坐标，该算法与三维模型无关，因此具有通用性。

2.3 基于高斯平滑滤波的边缘锯齿效果的改善

由于纹理投影的方法是将溢油多边形映射为纹理，而纹理的分辨率是有限的，这就导致纹理的可视化效果受到纹理像素分辨率的影响。若分辨率较低时，边缘会出现明显的锯齿现象。为此笔者采用高斯平滑滤波法[12-14]进行纹理处理的平滑滤波，改善边缘的锯齿效应。

高斯滤波就是对整幅图像进行加权平均的过程，每一个像素点的值，都由其本身和邻域内的其他像素值经过加权平均后得到。高斯滤波的具体操作是：用一个如式(11)的模板扫描图像中的每一个像素，用模板确定的邻域内像素的加权平均灰度值去替代模板中心像素点的值。由图1可见，采用高斯平滑滤波法进行纹理处理的平滑滤波后，边缘的锯齿效应大大改善。

(11)

图1 平滑滤波Fig. 1 Smoothing filter

2.4 海面溢油可视化方法的实现

基于纹理投影方法的海面溢油可视化的流程如图2。

根据溢油模型计算溢油多边形各定点坐标，并将计算后的溢油多边形进行纹理烘培[13](rendering to texture，RTT)生成溢油多边形纹理，将该纹理进行投影变换得到世界坐标系下投影变换后的纹理坐标，在片元着色器中进行融合，输出渲染效果。

像素融合如式(12)：

Tout=αTbk+(1-α)Toil

(12)

式中：α为背景所占的比重；Tout、Tbk、Toil分别为输出、背景和油膜的像素颜色值。

图2 纹理投影流程Fig. 2 Flow chart of texture projection

图3是海面油膜纹理投影融合之前和融合之后的效果。图4为基于纹理投影方法应用于复杂表面的效果，分别显示了不同纹理投影到不同表面时的效果。由图3、图4可以看出：基于纹理投影的方法对于复杂表面也具有较好的效果。

图3 油膜纹理与海面融合前后的效果Fig. 3 Results before and after oil film texture and sea blending

图4 复杂表面投影效果Fig. 4 Projection effect of complex target

图5为不同海况下海面和油膜的动态融合效果。由图5可看出：该系统运行流畅，溢油纹理和海面融为一体。证明该方法对于动态几何对象仍然具有良好的可视化效果，显示了该方法对于动态几何模型也具有良好的适应能力。

图5 不同海况油膜在海面动态可视化效果Fig. 5 Dynamic visualization result of oil film in different sea conditions

2.5 与溢油方法的比较

为了进一步将笔者提出的方法与已有的方法进行对比，分别将前人的溢油可视化效果进行了对比。如图6(a)～(c)分别为李久松[2]、REN Hongxiang等[4]、吕憧憬等[5]采用油粒子方法实现的海面溢油可视化效果。从图6中可看出：当溢油扩散到一定阶段时，基于溢粒子的油膜可视化效果已经出现了破碎，这是由于系统中的油粒子已经无法完全覆盖溢油区域，中间出现了空隙导致的，因而无法体现油膜整体的可视化效果。

3 应用案例

笔者提出的溢油可视化新方法已经成功应用于基于VR技术的海上溢油应急训练系统中。

3.1 海上溢油应急训练系统的组成

海上溢油应急训练系统主要由两大模块组成：溢油应急演练导演台和溢油应急演练操作单元，系统通过局域网连接，系统模块如图7。

3.2 硬件平台及测试结果

硬件平台：Core2 处理器，GT430显卡，DDR3内存2 G。

操作系统：Windows 7 操作系统。

场景三维模型大小：464 M。

图7 系统组成Fig. 7 System composition

三维渲染采用OSG(open scene graph)渲染引擎[15]，动态海面采用OSG Ocean插件。

帧率：48帧。

案例模拟两条船舶拖带围油栏进行围油作业，围油栏长度为200 m，拖带速度为4节，运行帧率为48帧以上，如图8。

图8 溢油可视化效果Fig. 8 Visualization of oil spill

4 结 语

笔者针对现有的海面溢油可视化方法进行总结，提出了基于纹理投影技术的海面溢油可视化新方法，解决了传统海面溢油可视化方法存在“盲区”的问题。

该方法不仅能够适用于不同的静态复杂表面，而且针对动态复杂表面依旧具有很好的可视化效果，具有很强的适用性。对不同表面进行投影测试，取得了良好的可视化效果。

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LI Jiusong.TheResearchandDesignofMarineOil-SpillingDynamicVisualizationandEmergencyDecisionSupportingSystemBasedonthei4OceanPlatform[D].Qingdao：Ocean University of China，2013.

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LV Chongjing，TIAN Fenglin，LI Bo，et al.Design and implementation of visual information system for oil spill on the sea[J].GeospatialInformation，2012，10(5)：21-23.

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HUANG Lixian，ZHANG Guanxi，WAN Zhaozhong.Oil expansion in the ocean[J].JournalofEnvironmentalScience，1982，3(1)：7-12.

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(责任编辑：刘 韬)

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

国家“863”课题项目(2015AA016404)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(3132016310)；海洋公益性行业科研专项基金项目(201505017- 4)

邹长军(1987—)，男，江西九江人，博士研究生，主要从事航海动态仿真、海上溢油模拟等方面的研究。E-mail：zoucj2006@163.com。

尹 勇(1969—)，男，湖北郧县人，教授，博士生导师，主要从事航海动态仿真、交通系统虚拟现实技术等方面的研究。E-mail：bushyin@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.17

U698.7；X52

A

1674-0696(2017)06-103-06