选题的背景及意义
海洋占超过地球三分之二的表面积，发生在海面、海下及海上的事件与人类的生产生活密不可分。我国是海洋大国，向海洋拓展活动空间，开发和利用海洋资源是经济社会可持续发展的需求。随着对海洋探索的深入及研究的需要，越来越多的领域需要对海洋进行模拟，海面因受到复杂的自然条件影响，又是所有景物中最难模拟的。一方面，海面十分广阔，并且海水的波动受到各种力的综合作用，运动十分复杂，水面的形态是随机、动态的，因此不能用静态的模型表示海面；另一方面海面颜色由很多因素共同影响，包括水中微生物颜色、水的深度、天气状况等因素，光的反射和折射对水面真实感也起了很大作用。满足更高的真实感需要消耗大量的时间进行渲染，造成实时性降低；更高的帧速率需要对算法进行简化，而导致真实感降低[1]。这时就需要研究者做出合理的选择或寻找更好的算法，以满足计算机对海面的仿真。
海面的辐射特性可提供丰富的海洋信息，粗糙海面的仿真模拟可以运用到海洋事业的多个领域。研究随机粗糙海面的辐射传输特性，及其与海洋表面各物理参数之间定量的函数关系，是十分重要的课题。红外背景辐射研究中很重要的一类研究对象是海面, 由于海面背景自身几何形状复杂, 其红外特性更是受到无规则变化的自然条件的影响。同时，产生于不规则海面的泡沫层也影响着随机粗糙海面的散射和热辐射[2]。由于在风力作用下海水与空气，海水与固体交互过程中，产生泡沫的问题非常复杂且紊乱无章。因此，在海洋模拟过程中，对泡沫的真实感模拟非常具有挑战性和现实意义，而针对泡沫覆盖粗糙海面的辐射传输特性缺乏系统研究。
国内外本学科领域的发展现状
地球上有三分之二以上的表面被海洋或湖泊等覆盖。近年来，各个国家加速了对海洋资源的开发，利用计算机技术对海面进行模拟，使得复杂的海面得以在虚拟环境中重现，为海上舰船航行及海上武器的研究奠定了重要基础。从上世纪 80 年代至今，大量学者不断探索新的方法对海面模型进行仿真模拟，目前对这方面的研究已经取得了大量的工作成果。
海面的几何建模是模拟海面场景的基础，不仅要考虑场景的真实度，而且要考虑建模方法的计算速率与实用性。在海面几何建模的基础上，对模拟的海面添加红外辐射特性，可以使整个海面场景更加逼真，对海上目标跟踪等方面有着重要作用。为了使海面红外场景更具有实用性，需要在研究中增加光照的渲染，模拟出水面对太阳的反射效应与折射效应，提高场景真实度。
海浪模拟的方法主要分为两类，一类是基于物理方法的建模，另一类为基于构造的方法进行建模[3]。海面建模方法又分为基于流体力学、基于几何模型、基于分形几何学、基于粒子系统、基于海谱模型等方法。早在19世纪20年代，Navier提出的基于N-S方程的流体力学方法，该方法最为符合物理流体学理论而且模拟的海真实度高，但是该方法求解极为复杂，海面的模拟也需要大量的时间。因此，此方法仅供科学研究使用，不能真正应用于实际工程中;基于几何模型的海面建模方法是利用正弦曲线(面)、Bezier曲线(面)等数学模型来模拟海面，但其做出的海面模型真实感较差[4]; 1983 年Willian T Reeves首次提出的基于粒子系统的方法，它考虑到了海面海面的破碎效果，模拟的海面真实度高，但是粒子数过多，实时性较差;出于海浪的自相似特性，也有很多学者选择了Jaggard等人提出的分型几何学方法来模拟海面，这种方法可以体现海浪的随机性和统计性两个重要的特点，更适合于海浪尺度较大的海面模型;最后便是应用最广泛的基于海谱模型的方法，它是对海面进行长期的观察与测量所得到的统计模型，该方法较为简便，生成模拟海面迅速，是当今研究机构中使用频率最高、使用范围最广的海面模拟手段[5]。
此外，在海面几何建模的基础上，对模拟的海面添加红外辐射特性，可以使整个海面场景更加逼真，对海上目标跟踪等方面有着重要作用[6]。海面红外场景仿真技术是在研究海况条件和海面辐射的基础上，结合海面模型和海面背景辐射特性，建立红外视景仿真平台，以实现对海面场景真实感的描绘[7]。红外场景仿真技术可模拟不同自然条件下目标及背景的红外图像。按照背景划分可分为静态背景和动态背景[8]。国外很早就开始了此方面的研究，建立了很多情况的海面红外辐射模型，而且有些已经应用于军事研究中[9]。而国内这方面的研究起步较晚，但越来越多的科研机构意识到该项技术的重要性，也取得了不少研究成果。该技术发展至今，研究内容广泛，如海面起伏特性建模、光照渲染、海面船舰仿真等。
海浪泡沫是通过海啸台风等因素使海洋浪花相互碰撞，导致浪花的破裂或飞溅而形成，常出现在近海岸处。现阶段在海洋的仿真建模中为了保证结构和计算求解过程的简单性，主要采用的方法是采用高度场的方法将海洋表面结构通过平铺的小补丁(patch 块)实现网格的划分。但这种技术尚未完全成熟，当海面上风速超过一定值海浪泡沫会出现重复的现象，甚至会整齐的覆盖整个海面，造成海洋模拟失真[10]。
海面场景的红外仿真过程复杂，动态海面真实感的仿真只是海面红外场景仿真中的一部分。实际情况中海况复杂多变，不单单是受风力和光照的影响，还有可能受到雨雪等不同天气变化，而目前的的仿真没有考虑考虑更多环境下的海面场景；其次，无论何种海面模型的仿真效果，远处海面都有呈现网格化的趋势，因此未来的研究工作应多考虑加强海面运动状态随机性的模拟；对于目前的研究中，并没有涉及整体海洋环境的作用，海浪破碎和泡沫是怎样产生的，在海浪泡沫模拟中只是运用了经验公式，对于整个海洋场景的模拟缺乏精确性。
所以，本文的研究目标是在之前研究的基础上建立更为真实的泡沫覆盖海面的模型，在此基础之上分析海面本身粗糙特性的影响以及泡沫覆盖海面的辐射传输特性。
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