CN110188488B - 一种海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海底天然气水合物信息模拟技术领域，公开了一种海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法和系统，预先在VR设备或教学设备中存储海底水合物露头和周边环境的虚拟场景，利用多摄像头对用户进行视觉反应追踪，当视线停留时间大于预设时长时，则激活相应海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块。本发明能够直观、充满趣味地展示天然气水合物在海底的分布、周边的麻坑、冷泉特征及生态群落等信息，调动学生和体验者的积极性，在VR体验中掌握海底水合物露头的地质特征及周边环境信息。

Description

一种海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法和系统
技术领域
本发明属于海底天然气水合物信息模拟技术领域，尤其涉及一种海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法和系统，具体涉及一种基于虚拟现实技术的海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法和系统。
背景技术
目前，最接近的现有技术：
天然气水合物作为清洁新能源，其蕴含的资源量大约是传统能源的二倍。由于其不稳定性，水合物分解时还会对海底稳定性造成破坏，诱发海底滑坡、海底工程灾害等，若分解的甲烷等气体进入大气中还可能会影响全球气候变化。因此，应加强水合物研究，并鼓励普通民众，以及在校大、中、小学生来了解天然气水合物的相关知识。
另外，虚拟现实(VR:Virtual Reality)技术在近年来得到不断发展和完善，并在各个领域得到了广泛应用，它将计算机仿真、智能传感器与图形显示等多种技术结合起来，创建了与人类真实世界感知方式完全一样的虚拟空间，给予用户沉浸式的体验，对人们的知觉体验有着良好的增强作用。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有技术中，没有结合基于虚拟现实技术，不能够直观、充满趣味地展示天然气水合物在海底的分布，周边的麻坑、冷泉特征及生态群落等信息。
(2)现状是：水合物露头及周边环境研究比较成熟，VR技术比较成熟，但将二者结合起来制作关于海底天然气水合物露头及周边环境的VR设备的仿真方法还没有做过。
解决上述技术问题的意义：
将成熟的水合物露头及周边环境研究与成熟的VR技术结合起来，制作关于海底天然气水合物露头及周边环境的VR设备的仿真方法，直观、充满趣味地展示天然气水合物在海底的分布、周边的麻坑、冷泉特征及生态群落等信息，调动学生和体验者的积极性，在VR体验中掌握海底水合物露头的地质特征及周边环境信息。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法和系统。
本发明是这样实现的，一种海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法，所述海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法包括：
预先在VR设备或教学设备中存储海底水合物露头和周边环境的虚拟场景，利用多摄像头对用户进行视觉反应追踪，当视线停留时间大于预设时长时，则激活相应海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块。
进一步，视线追踪技术拟采用帕克西视线追踪技术，通过软件实现视线定位与跟踪，无需专业眼动仪等设备，利用普通摄像机获取脸部或眼睛图像，有效跟踪瞳孔位置及视线方向，实现体验者视线(即感兴趣区域)的跟踪和分析。帕克西视线追踪技术实时跟踪帧率可达27FPS，而且接入方式灵活，再经过软件分析实现视线追踪。通过Mean Shift聚类算法和匈牙利算法，当视线停留时间大于预设时长时，将画面中吸引视觉注意力的图片信息提取出来，并确定效应模块；之后，通过手柄确认是否激活该模块，若确认，则播放相应的动画画面。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法的海底天然气水合物露头及周边环境的仿真系统，所述海底天然气水合物露头及周边环境的仿真系统包括VR眼镜；所述VR眼镜上集成有：
多摄像头，用于对对用户进行视觉反应追踪。
不同虚拟场景激活模块，当视线停留时间大于预设时长时，则激活相应海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头和冒甲烷气泡的麻坑附近展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块；所述海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头和冒甲烷气泡的麻坑附近展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块均集成在VR眼镜上。
所述海底地形地貌特征模块，用于海底地形地貌特征展示，展示信息包括麻坑，珊瑚礁凸起、所在位置的水深、温度值信息。
所述海底天然气水合物露头展示模块，用于展示海底天然气水合物露头，展示信息包括层状、块状、结核状和脉状类型、可见颜色、分布大小信息。
所述水合物露头和冒甲烷气泡的麻坑附近展示模块，用于展示水合物露头和冒甲烷气泡的麻坑附近信息，展示信息包括以水合物及甲烷气为食物来源的深海生物群落。
水合物原位采样系统工作画面展示模块，用于展示水合物原位采样系统的工作画面，如深海无人遥控潜水器作业系统“海马号”ROV进行水下摄像/照相、定位和取样等工作的演示，基于激光拉曼光谱技术对深海沉积物进行的海洋地球化学原位探测。
所述水合物原位生成实验画面展示模块，用于展示水合物原位生成实验的画面。
本发明的另一目的在于提供一种海底天然气水合物露头及周边环境的仿真程序，所述海底天然气水合物露头及周边环境的仿真程序包括：
预先在VR设备或教学设备中存储海底水合物露头和周边环境的虚拟场景，利用多摄像头对用户进行视觉反应追踪，当视线停留时间大于预设时长时，则激活相应海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明基于虚拟现实技术，建立一套海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法和系统，能够直观、充满趣味地展示天然气水合物在海底的分布，周边的麻坑、冷泉特征及生态群落等信息，调动学生和体验者的积极性，在体验中掌握海底水合物露头的地质特征及周边环境。通过本发明，如图2海底冷泉效果图，如图3水合物原位生成实验图。如图4块状、脉状等天然气水合物不同类型图。如图5麻坑照片图。通过将水合物海底露头及周边环境的研究成果与先进的VR技术相结合，能够向学生和体验者直观展示海底冷泉处生机盎然的生态系统、天然气水合物海底露头的不同存在类型，麻坑处的甲烷渗漏情况、以及在麻坑上部倒放一试管即可原地生产水合物等情况。
本发明具体展示信息包括：
海底地形地貌特征，包括麻坑，珊瑚礁凸起等，并注明所在位置的水深(对应的静水压力值)、温度值等信息。
展示海底的天然气水合物露头，包括层状、块状、结核状和脉状等类型，可见颜色、分布大小等信息。通过手柄点击露头，拿开后可见其下方的缝隙里的螃蟹；
在水合物露头和冒甲烷气泡的麻坑附近，可见觅食的深海生物群落，以水合物及甲烷气为食物来源；
展示水合物原位采样系统的工作画面，如深海无人遥控潜水器作业系统“海马号”ROV进行水下摄像/照相、定位和取样等工作的演示，基于激光拉曼光谱技术对深海沉积物进行的海洋地球化学原位探测；
展示水合物原位生成实验的画面，即将倒立的试管放在正在释放甲烷气泡的麻坑上部，在试管顶部会快速生成水合物。
附图说明
图1是本发明实施例提供的海底天然气水合物露头及周边环境的仿真系统示意图。
图中：1、VR眼镜；2、多摄像头；3、不同虚拟场景激活模块；4、海底地形地貌特征模块；5、海底天然气水合物露头展示模块；6、水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块；7、水合物原位采样系统工作画面展示模块；8、水合物原位生成实验画面展示模块。
图2是本发明实施例提供的海底冷泉效果图。
图3是本发明实施例提供的水合物原位生成实验图。
图4是本发明实施例提供的块状、脉状等天然气水合物不同类型图。
图5是本发明实施例提供的麻坑照片图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明中，涉及的天然气水合物是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，是一种清洁能源和未来新能源，通常分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中；虚拟现实(VR)技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。
现有技术中，没有结合基于虚拟现实技术，不能够直观、充满趣味地展示天然气水合物在海底的分布，周边的麻坑、冷泉特征及生态群落等信息。
为解决上述问题，下面结合具体方案对本发明作详细描述。
本发明实施例提供的海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法，所述海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法包括：
预先在VR设备或教学设备中存储海底水合物露头和周边环境的虚拟场景，利用多摄像头对用户进行视觉反应追踪，当视线停留时间大于预设时长时，则激活相应海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块。
如图1所示，本发明提供的海底天然气水合物露头及周边环境的仿真系统包括VR眼镜1；所述VR眼镜1上集成有：
多摄像头2，用于对对用户进行视觉反应追踪。
不同虚拟场景激活模块3，当视线停留时间大于预设时长时，则激活相应海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块；所述海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头和冒甲烷气泡的麻坑附近展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块均集成在VR眼镜上。
所述海底地形地貌特征模块4，用于海底地形地貌特征展示，展示信息包括麻坑，珊瑚礁凸起、所在位置的水深、温度值信息。
所述海底天然气水合物露头展示模块5，用于展示海底天然气水合物露头，展示信息包括层状、块状、结核状和脉状类型、可见颜色、分布大小信息；
水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块6，用于展示水合物露头和冒甲烷气泡的麻坑附近信息，展示信息包括以水合物及甲烷气为食物来源的深海生物群落。
水合物原位采样系统工作画面展示模块7，用于展示水合物原位采样系统的工作画面，如深海无人遥控潜水器作业系统“海马号”ROV进行水下摄像/照相、定位和取样等工作的演示，基于激光拉曼光谱技术对深海沉积物进行的海洋地球化学原位探测。
所述水合物原位生成实验画面展示模块8，用于展示水合物原位生成实验的画面。
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
本发明提供了一种基于虚拟现实(VR)技术的海底天然气水合物露头及周边环境的仿真系统包括模块具有以下功能。
M1海底地形地貌特征模块：海底地形地貌特征，包括麻坑，珊瑚礁凸起等，并注明所在位置的水深(对应的静水压力值)、温度值等信息。
M2海底天然气水合物露头展示模块：展示海底的天然气水合物露头，包括层状、块状、结核状和脉状等类型，可见颜色、分布大小等信息。通过手柄点击露头，拿开后可见其下方的缝隙里的螃蟹。
M3水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落：在水合物露头和冒甲烷气泡的麻坑附近，可见觅食的深海生物群落，以水合物及甲烷气为食物来源。
M4水合物原位采样系统工作画面展示模块：展示水合物原位采样系统的工作画面，如深海无人遥控潜水器作业系统“海马号”ROV进行水下摄像/照相、定位和取样等工作的演示，基于激光拉曼光谱技术对深海沉积物进行的海洋地球化学原位探测。
M5水合物原位生成实验画面展示模块：展示水合物原位生成实验的画面，即将倒立的试管放在正在释放甲烷气泡的麻坑上部，在试管顶部会快速生成水合物。
下面结合具体操作方式对本发明作进一步描述。
根据以上模块信息，结合VR技术，生成虚拟场景。通过佩戴VR眼镜，利用多摄像头对体验者进行视觉反应追踪，当视线停留时间大于预设时长时，则激活相应模块，并可进行进一步操作：激活M2后，可利用手柄点击确认按钮，拿开水合物露头，其下方的缝隙里的螃蟹会爬走；还可通过展示不同的水合物露头照片，让用户提供手柄来选择其所属类型，为层状、块状、结核状或者脉状。
激活M4后，可利用手柄点击确认按钮，进行深海ROV进行水下摄像/照相、定位和取样等工作的演示，基于激光拉曼光谱技术对深海沉积物进行的海洋地球化学原位探测。
激活M5后，可利用手柄点击确认按钮，展示水合物原位生成实验的画面。
以上模块并无先后顺序，用户可根据兴趣进行体验。
通过本发明，如图2海底冷泉效果图，如图3水合物原位生成实验图。如图4块状、脉状等天然气水合物不同类型图。如图5麻坑照片图。
通过将水合物海底露头及周边环境的研究成果与先进的VR技术相结合，能够向学生和体验者直观展示海底冷泉处生机盎然的生态系统、天然气水合物海底露头的不同存在类型，麻坑处的甲烷渗漏情况、以及在麻坑上部倒放一试管即可原地生产水合物等情况。
目前研究中已有部分现场照片和视频等资料，有关水合物露头的各种分布类型，如脉状、块状、分散状也有典型实物照片，本发明需要将此类资料整合成VR设备的虚拟场景，使体验者佩戴VR眼镜后可以身临其境地观察海底水合物露头的地质特征及周边地貌、生态环境的特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种海底天然气水合物露头及周边环境的仿真系统，其特征在于，所述海底天然气水合物露头及周边环境的仿真系统包括VR眼镜，所述VR眼镜上集成有：
多摄像头，用于对对用户进行视觉反应追踪；
不同虚拟场景激活模块，当视线停留时间大于预设时长时，则激活相应海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块；
所述海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块均集成在VR眼镜上；
所述海底地形地貌特征模块，用于海底地形地貌特征展示，展示信息包括麻坑，珊瑚礁凸起、所在位置的水深、温度值信息；
所述海底天然气水合物露头展示模块，用于展示海底天然气水合物露头，展示信息包括层状、块状、结核状和脉状类型、可见颜色、分布大小信息；
所述水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块，用于展示水合物露头附近的冷泉区特征，如冒甲烷气泡的麻坑和以水合物及甲烷气为食物来源的深海生物群落；
所述水合物原位采样系统工作画面展示模块，用于展示水合物原位采样系统的工作画面，包括基于深海ROV机器人和激光拉曼光谱技术的深海沉积物海洋地球化学原位探测、海底沉积物孔隙水原位采样工作画面；
所述水合物原位生成实验画面展示模块，用于展示在冒甲烷气泡的麻坑上方放置一个倒置的试管，在试管底部和试管壁上慢慢布满新生成的水合物的画面；
该海底天然气水合物露头及周边环境的仿真系统执行海底天然气水合物露头及周边环境的仿真方法，包括以下步骤：
预先在VR设备或教学设备中存储海底水合物露头和周边环境的虚拟场景，利用多摄像头对用户进行视觉反应追踪，当视线停留时间大于预设时长时，则激活相应海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块；
对用户进行视觉反应追踪中，采用帕克西视线追踪技术，实现视线定位与跟踪；具体包括：利用摄像头获取脸部或眼睛图像，跟踪瞳孔位置及视线方向，实现体验者感兴趣区域的跟踪和分析；通过Mean Shift聚类算法和匈牙利算法，当视线停留时间大于预设时长时，将画面中吸引视觉注意力的图片信息提取出来，并确定不同虚拟场景激活模块、激活相应海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块的效应信息；通过手柄确认不同虚拟场景激活模块、激活相应海底地形地貌特征模块、海底天然气水合物露头展示模块、水合物露头附近的冷泉区特征及生态群落展示模块、水合物原位采样系统工作画面展示模块及水合物原位生成实验画面展示模块是否激活，若确认，则播放相应的动画画面。
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