余肖翰 余麒祥
【摘 要】随着当前计算机虚拟现实的理论、技术与方法的进步,海洋信息技术的三维可视化日益成为对海洋进行全方位观察、研究和探索的重要手段之一.本研究通过对3A级商业引擎——Unreal Engine 4（UE4）的开发使用,模拟了厦门海洋环境监测站附近海域的潮流、日出、日落及天气情况等虚拟现实与可视化.并且针对海洋科研领域中的实际需要,模拟了海水赤潮、海底地形测绘等专门面向业务需求的三维实时渲染,设计与重现了相关的水文气象场景,这种模拟设计具有重要的现实意义. 【期刊名称】《应用海洋学学报》
【年(卷),期】2017(036)002
【总页数】7页(P295-301)
【关键词】海洋水文学 计算机仿真学 虚幻4引擎 VR 3Dmax 粒子系统 蓝图
【作 者】余肖翰 余麒祥
真水无香电影
【作者单位】国家海洋局厦门海洋环境监测中心站,福建厦门361008;
【正文语种】中 文
【中图分类】P731
“数字海洋”作为“数字地球”的核心理念，为了实现对多变量海洋数据的综合性、多角度、分层次的访问分析，通过使用卫星、飞机、探测船、遥感、海体传感器等技术手段把海洋各类基础信息(物理、化学、生物、地质等)进行实时性、持续性地数据采集加工，最终加载成为一个“超级系统”，科学地整合成为人类开发和保护海洋的虚拟可视化模型[1]. 虚拟现实(Virtual Reality，VR)和可视化(Visualization)在近年来的海洋信息技术中得到飞速发展，作为反映海洋现状最有效的工具之一，虚拟海洋技术的应用尤为引人瞩目.作为新兴科技热点，三维虚拟现实技术有着强大的技术优势与广泛的应用前景：通过人机交互，虚拟三维可视化技术动态实现了海洋大环境中各类要素的生动展示，在大数据的支撑下以其独特的沉浸感、想象力和交互性等特性，帮助海洋科研工作者在海洋环境模拟与海洋生命
仿真中提供更直观的全方位观察角度，并提供更多有价值的海洋资源立体信息[2].
神州奥美为融合海洋虚拟现实与可视化渲染引擎的无限可能，探索海洋环境的三维虚拟仿真，实现将海洋数据动态环境可视化，通过对3A引擎Unreal Engine 4(UE4)的开发使用，真实再现海洋多样性形态变化并结合数值运算结果来分析海洋运动的规律，这对于海洋科研领域具有重要研究价值和现实意义.
1 材料与方法
1.1 海洋虚拟现实与渲染引擎使用现状
新经济时代针对海洋科研领域实际需求，伴随着大数据采集和探测遥感应用的飞速发展，虚拟现实与可视化研究的关键技术在海洋领域愈加广泛的应用，近年来为数众多的国内外研发团队争相涉足投入，其中不乏国际巨擘，如美国的Google Earth，NASA的World Wind，国内的“数字海洋”原型系统、EV-Globe等.提供真实、可靠、快速、立体的海洋环境场景的虚拟现实搭载并通过可视化的形式展示分析海洋数据已经作为一种直观而且有效的手段逐步为人们所接受[3].
经过二十多年的研究与发展，基于OpenGL和DirectX等硬件底层图形库来实现的各类三维渲染引擎已经在游戏、医疗、工业、建筑、生物等领域得到广泛的应用.各种框架结构更为成熟、功能趋于完善的商业引擎以其独特的三维渲染引擎技术越来越被政府、企业、开发从业人员、科研学者及其他爱好者们所熟悉、喜爱.另外由于部分引擎开源，极具参考价值的代码更推动了整个产业技术的发展进步与水平提高.
基于三维图形渲染引擎的开发共识与应用远景，国外游戏软件公司以及几所顶尖学府均投入了大量的人力物力，取得了显著的成果.在这些商业引擎的推动下，三维图形渲染技术得到了迅猛的发展.三维图形渲染引擎广泛研究已应用于国外众多科研院所，如美国北卡罗来纳大学计算机系和麻省理工学院为其翘楚，前者是现代虚拟现实技术研究最早最著名的大学，后者则在计算机图形学、人工智能算法、动画仿真技术等领域首屈一指.
UE4是Epic Game公司于2014年3月20日推出的商业开发引擎，相比同样级别的3A级引擎，UE4不仅包含提供各类工具与资源，并开放了源代码，甚至能够通过GitHub进行远程工作室合作开发，由上至下提供了一个完整的生态系统.UE4基于C++进行开发，可以运行于Windows、Linux、Mac OS等不同桌面操作系统，Xbox One、PS4等游戏平台，以及A
pple IOS、Android等移动便携平台.通过各种渠道进行封装发布将应用的范围涵盖到了游戏、3D电影、房地产、工业制造、医疗卫生、国防军事、公众事业等各个专业领域.
1.2 系统设计
基于UE4三维渲染引擎实现的海洋虚拟现实功能模块，通过虚拟技术带来的独特现实沉浸感、拓展想象力和人机交互性，将海洋数据动态环境模拟的可视化和在海洋生命仿真中显示出的强大技术优势都具有不可估量的价值.概念图如图1所示.
图1 概念图Fig.1 Concept map
现代汉语频率词典1.2.1 系统描述 本系统主要设计以下几个关键层次：基础数据层、可视化驱动层和应用实现层.基础数据层主要通过对基础地理信息数据、地表地形植被数据、ARCGIS 数据、独立应用数据、3Dmax等三维模型数据等多类基础数据进行采集预处理，构建可视化系统的基础背景场模型；可视化驱动层主要通过UE4三维渲染引擎为用户提供一个实时渲染显示的、动态三维可交互的立体环境，将原本抽象的海面潮流数据、水质监测数据、海底地形数据、卫星云图、气候气象等数字数据形象化；应用实现层基于可视化驱动引擎，根据用
户的具体应用需求，将海洋环境要素在三维虚拟模型下实现交互式漫游、动态计算与加载、多视角动态浏览、交互式查询等功能[4-5].层次结构如图2所示.
1.2.2 框架描述 海洋由于自身结构规模的庞大、主动与被动行为的复杂、没有确定的运动轨迹等特点，使其在众多自然场景模拟中，具有较大的难度和挑战性.本研究在海平面网格建模方面，仅以厦门海洋环境监测站附近区域海面5 km范围为核心，以常规海洋观测内容为视角，通过基本潮流等监测数据为基础提出了一种简便快捷的三维模拟输出.由于UE4引擎具有优秀的实时延迟渲染能力(llvm与热加载)，并且可以很方便的实现功能扩展.针对当前的发展现状，从渲染引擎入手的核心设计主框架主要是场景管理和事件处理两大模块，其中包括数据的存储与调取、场景建设与组织、底层硬件图形库OpenGL函数的加载与封装以及渲染流程的标准与结构模块化等.渲染引擎的核心部件如图3所示.
2 结果与讨论
2.1 模型导入
硼砂溶液系统主要模拟了厦门海洋环境监测站附近5 km范围海域的潮流，设计与重现了相关的水文
营销科学气象场，并采用海面光照交互技术对海面光照进行处理，将日出日落、天气情况等环境变量虚拟再现.并针对海洋科研领域中的实际需要，模拟了海水赤潮、海底地形测绘等专门面向业务需求的三维实时渲染.
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