KR101781760B1 - 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법 및 장치 - Google Patents

해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실시간 선박운항 시뮬레이터 등에 활용을 목적으로 해양 표면의 특징을 결정짓는 대표적인 파도 시스템(Wave System)인 풍파(Wind Sea)와 너울(Swell), 그리고 이들이 결합된 해상 상태 등 복수의 파도 시스템에 의한 여러 해양 표면의 상태를 해양파 스펙트럼(Ocean Wave Spectra)에 기반하여 사실적으로 재현하는 방법 및 장치를 제공한다.

Description

해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법 및 장치{Realistic Simulation Method and Device of Ocean Surface Using Ocean Wave Spectra}
본 발명은 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법 및 장치에 관한 것이다.
해양 표면과 같은 대규모 수면에 대한 실시간 시뮬레이션의 경우 사실성 있는 해양 표면 묘사를 위해서는 다수의 파를 합성해야 한다.
그러나 종래의 해양 표면 시뮬레이션은 성능상의 문제로 인해 해양에서 흔하게 경험할 수 있는 풍파와 너울, 그리고 이들이 결합하여 만들어 내는 다양한 해양 표면 상태에 대한 표현력이 부족한 문제점이 있다.
특히 선박운항 시뮬레이터와 같은 교육 훈련 목적의 시뮬레이터 재현을 위해서는 풍파와 달리 긴 파장과 큰 에너지를 가지고 선박의 운동에 큰 영향을 주는 너울에 대한 고려와 복수의 파가 공존하는 다양한 해상 상태를 재현할 필요가 있다.
공개특허 제10-2012-0002829호 (조선해양 시뮬레이션을 위한 파랑 중 선박 및 부표 운동의 실시간 모사 방법)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 실시간 선박 운항 시뮬레이터 등에 활용을 목적으로 해양 표면의 특징을 결정짓는 대표적인 파도 시스템(Wave System)인 풍파(Wind Sea)와 너울(Swell), 그리고 이들이 결합된 해상 상태 등 복수의 파도 시스템에 의한 여러 해양 표면의 상태를 해양파 스펙트럼(Ocean Wave Spectra)에 기반하여 사실적으로 재현하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 파도 시스템에 의한 여러 해양 표면의 상태를 해양파 스펙트럼에 기반하여 사실적으로 재현할 수 있도록 한, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법으로서, 파도 시스템 정의 모듈이 시뮬레이션 시나리오에 따라 필요한 복수의 파도 시스템을 정의하는 단계; 스펙트럼 정의 모듈이 상기 정의된 각 파도 시스템의 특성이 반영되도록 스펙트럼 파라미터를 정의하는 단계; 성분파 샘플링 모듈이 상기 정의된 각 파도 시스템별 스펙트럼으로부터 시뮬레이션에 필요한 성분파들을 샘플링 하는 단계; 역 푸리에 변환 모듈이 상기 샘플링 된 각 파도 시스템별 성분파들을 합성하여 공간 영역에서의 높이장으로 변환하는 단계; 해양 표면 합성 모듈이 각 파도 시스템별로 생성된 여러 높이장을 추가 또는 제외하여 해양 표면을 구성하는 단계; 및 해양 표면 렌더링 모듈이 상기 합성된 해양 표면의 광학적 특성을 반영하여 최종적으로 해양 표면을 전시하는 단계;를 포함하되, 상기 각 단계들은 상기 복수의 파도 시스템에 대해 개별적, 독립적으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법을 제공한다.
상기 파도 시스템은 서로 다른 장소와 조건에서 생성된 파도 그룹으로 정의된다.
상기 파도 시스템은 풍파와 너울을 포함한다.
상기 스펙트럼 파라미터는 풍속, 첨두 주기와 주파수를 포함한다.
상기 스펙트럼 정의 모듈은 각 파도 시스템별로 스펙트럼의 형상과 파의 진행 방향을 독립적으로 설정한다.
상기 스펙트럼 정의 모듈은 상기 파의 진행 방향과 함께 해당 방향으로 파가 얼마나 집중되어 진행하는지를 나타내는 방향 집중도를 함께 지정한다.
상기 성분파 샘플링 모듈은 복수의 파도 시스템별로 독립적으로 성분파들을 샘플링 하되 각 파도 시스템별 특성을 고려하여 성분파들을 샘플링 한다.
상기 성분파 샘플링 모듈은 상기 파도 시스템이 풍파인 경우에는 고주파 대역을 중심으로 성분파를 샘플링 하고, 상기 파도 시스템이 너울인 경우에는 저주파 대역을 중심으로 성분파를 샘플링 한다.
상기 성분파 샘플링 모듈은 각 파도 시스템별로 샘플링 하는 성분파의 개수를 다르게 설정한다.
상기 성분파 샘플링 모듈은 하나의 파도 시스템에 대해 서로 다른 샘플링 간격으로 여러 번 샘플링을 수행한다.
상기 역 푸리에 변환 모듈은 복수의 파도 시스템의 개수만큼의 역 푸리에 변환을 수행한다.
상기 해양 표면 합성 모듈은 각 파도 시스템을 이루는 성분파들의 구성 및 주기, 위상은 그대로 유지하면서, 진폭 값만 목표 진폭 값에 도달할 때까지 지정된 속도로 천천히 변화하도록 제어함으로써 각 파도 시스템의 조합 간 변화를 재현한다.
상기 해양 표면 합성 모듈은 해양 표면을 합성하는 과정에서 파도 시스템별 형상을 지정한다.
상기 해양 표면 렌더링 모듈은 해양 표면의 노말 벡터 정보를 바탕으로 상기 합성된 해양 표면에 빛의 굴절 및 반사의 광학적 특성을 적용한다.
상기 해양 표면 렌더링 모듈은 각각의 파도 시스템별로 계산된 노말 벡터를 상기 합성된 해양 표면의 노말 벡터로 합성한다.
또 다른 실시 예로써 본 발명은, 파도 시스템에 의한 여러 해양 표면의 상태를 해양파 스펙트럼에 기반하여 사실적으로 재현할 수 있도록 한, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 장치로서, 시뮬레이션 시나리오에 따라 필요한 복수의 파도 시스템을 정의하는 파도 시스템 정의 모듈; 상기 정의된 각 파도 시스템의 특성이 반영되도록 스펙트럼 파라미터를 정의하는 스펙트럼 정의 모듈; 상기 정의된 각 파도 시스템별 스펙트럼으로부터 시뮬레이션에 필요한 성분파들을 샘플링 하는 성분파 샘플링 모듈; 상기 샘플링 된 각 파도 시스템별 성분파들을 합성하여 공간 영역에서의 높이장으로 변환하는 역 푸리에 변환 모듈; 각 파도 시스템별로 생성된 여러 높이장을 추가 또는 제외하여 해양 표면을 구성하는 해양 표면 합성 모듈; 및 상기 합성된 해양 표면의 광학적 특성을 반영하여 최종적으로 해양 표면을 전시하는 해양 표면 렌더링 모듈;을 포함하되, 상기 파도 시스템은 단일이 아닌 복수의 파도 시스템이며, 상기 각각의 파도 시스템별로 개별적, 독립적으로 속성이 정의되는 것을 특징으로 하는, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 해양 표면 시뮬레이션과 관련하여, 복수의 파도 시스템에 의한 해양 표면의 다양한 상태를 재현할 수 있으며, 해양파 스펙트럼에 기반하여 사실적으로 시뮬레이션 함으로써 실시간 선박운항 시뮬레이터 등의 사용자에게 실제와 유사한 경험을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 해양 표면 시뮬레이션 방법의 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 해양 표면 시뮬레이션 방법의 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 혼합된 해양(Mixed Sea)의 구현 예.
도 4는 해양파 스펙트럼의 도출 과정.
도 5는 해양파 스펙트럼의 예.
도 6은 성분파의 예.
도 7은 일반적인 푸리에 변환 방식의 개념도.
도 8은 높이장의 예.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 해양 표면 합성 예.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 해양 표면 렌더링 예.
도 11은 노말 벡터의 개념.
도 12는 노말 벡터를 이용한 빛의 반사 계산.
도 13은 노말 벡터를 이용한 빛의 굴절 계산.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 해양 표면 시뮬레이션 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 해양 표면 시뮬레이션 방법의 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 혼합된 해양(Mixed Sea)의 구현 예이다.
본 발명은 실시간 선박운항 시뮬레이터 등에 활용을 목적으로 해양 표면의 특징을 결정짓는 대표적인 파도 시스템(Wave System)인 풍파(Wind Sea)와 너울(Swell), 그리고 이들이 결합된 해상 상태 등 복수의 파도 시스템에 의한 여러 해양 표면의 상태를 해양파 스펙트럼(Ocean Wave Spectra)에 기반하여 사실적으로 재현하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 파도 시스템 정의 모듈, 스펙트럼 정의 모듈, 성분파 샘플링 모듈, 역 푸리에 변환 모듈, 해양 표면 합성 모듈 및 해양 표면 렌더링 모듈로 구성된 컴퓨터 시스템 상에서 전체 과정이 자동적으로 수행된다.
상기 모듈들은 일종의 서버나 데이터베이스의 형태일 수도 있다.
본 발명의 중요한 특징은, 단일이 아닌 복수의 파도 시스템이 고려되며, 각각의 파도 시스템별로 독립적으로 속성이 정의된다는 점이다(도 2, 도 3).
여기서, 속성이라 함은 파도 시스템의 스펙트럼, 성분파, 높이장 등과 같이 각 파도 시스템의 고유 특성을 결정짓는 요소들을 의미한다.
이하, 본 발명이 구현되는 과정에 대하여 단계별로 구분하여 상세히 설명하는바(도 1), 각 단계들은 상기 복수의 파도 시스템에 대해 개별적, 독립적으로 수행되는 특징이 있다(도 2, 도 3).
S 1 단계 (파도 시스템 정의 단계)
파도 시스템 정의 모듈이 시뮬레이션 시나리오에 따라 필요한 복수의 파도 시스템을 정의한다.
파도 시스템이란 서로 다른 장소와 조건에서 생성된 파도 그룹을 의미하는 것으로, 파도 시스템마다 파도의 생성 장소와 조건이 다르기 때문에 파도의 높이, 주기, 모양 등도 다 다르다.
대표적인 파도 시스템으로는 풍파와 너울을 들 수 있는데, 풍파는 물 표면에서 부는 바람의 작용에 의해 발달한 파랑(Wave)으로 주기는 10~15sec 이하이고 파고는 보통 2m 이하인 특성이 있으며, 너울은 바람의 영향을 직접적으로 받지 않는 해파(Sea Wave)로 마루(Crest)와 골(Trough)이 둥그스름하고 사인곡선 모양으로 진행하는 특성이 있다.
파도 시스템 정의 모듈은 단일이 아닌 복수의 파도 시스템을 정의하는바, 예를 들면 파도의 생성 장소와 조건에 따라 풍파 1, 풍파 2, …, 풍파 n 및 너울 1, 너울 2, …, 너울 n과 같은 명칭으로 파도 시스템을 정의하게 된다(도 2).
이처럼 파도 시스템이 정의되면, 후술하는 단계들을 거치면서 상기 정의된 파도 시스템별 고유의 속성이 만들어지며, 궁극적으로 후술하는 해양 표면 합성 모듈이 상기 정의된 파도 시스템들 중 하나 또는 둘 이상을 선택 및 조합하는 과정을 통하여 목표로 하는 해양 표면을 구성하게 된다.
S 2 단계 (스펙트럼 정의 단계)
스펙트럼 정의 모듈이 상기 정의된 각 파도 시스템의 특성이 잘 반영되도록 스펙트럼 파라미터를 정의한다.
해양파 스펙트럼(이하, 스펙트럼)은 도 4와 같이 파도 측정 부표를 통해 측정한 파고를 푸리에 변환하여 파도의 주파수 성분별 에너지를 그래프로 나타낸 것을 의미한다.
도 5는 스펙트럼 4개를 보여주는데, 가로축은 주파수를 의미하며, 세로축은 에너지를 의미한다.
즉, 그래프가 우측에 존재할수록 고주파 성분이 많음을 의미하고, 그래프가 높을수록 에너지가 많음을 의미한다.
스펙트럼 파라미터는 이러한 그래프의 모양을 결정짓는 변수들을 의미하는 바, 풍속 및 첨두(Peak, 그래프에서 가장 높은 부분) 주기나 주파수 등이 스펙트럼 파라미터의 예가 될 수 있다.
다시 말해 풍속이 강할수록 그래프가 세로축으로 높게 나타나고, 첨두 주파수가 클수록 그래프가 우측으로 옮겨진 형태로 나타나는데, 이와 같이 그래프의 형태를 결정짓는 값들을 스펙트럼 파라미터라고 한다.
스펙트럼 정의 모듈은 각 파도 시스템별로 스펙트럼의 형상과 파의 진행 방향을 독립적으로 설정한다(도 2).
스펙트럼의 형상은, 각 파도 시스템별로 PM(Pierson-Moskowitz), JONSWAP 등 잘 알려진 여러 주파수-에너지 스펙트럼 중 적합한 스펙트럼을 적용하여 정의한다.
또한 여기서 Ochi-Hubble 스펙트럼이나 Torsethaugen 스펙트럼과 같이 두 개 이상의 스펙트럼 첨두값을 가지는 스펙트럼을 이용하는 것도 가능하다.
다음은 스펙트럼 중 비교적 간단한 종류인 PM 스펙트럼을 보여준다.
Figure 112016504430007-pat00001
여기서 g는 중력 가속도, w는 파도의 주파수 f에 대해 2πf로 표현되는 각 주파수(Angular Frequency), w0는 최대 각 주파수, 그리고 상수 α=0.0081, β=1.25 등으로 구성되는데, 시뮬레이션하려는 파도 시스템에 따라 이러한 값들을 조정하여 스펙트럼의 형상을 정의한다.
파의 진행 방향은, 각 파도 시스템별로 여러 방향 분포 함수(Directional Spreading Function) 중 하나를 사용하여 지정할 수 있으며, 파의 진행 방향과 함께 해당 방향으로 파가 얼마나 집중되어 진행하는지를 나타내는 방향 집중도를 함께 지정할 수도 있다.
파의 진행 방향은 풍파의 경우 관측 지점에서 부는 바람의 방향에 연관되며, 너울의 경우 너울이 생성되어 전파되어 온 방향에 연관되는 특징이 있다.
또한 방향 집중도는 풍파의 경우 방향 집중도가 낮아 다방면으로 분산되며, 너울의 경우 방향 집중도가 높아 좁은 분산 범위를 가지는 특징이 있다.
따라서 서로 다른 파의 진행 방향과 방향 집중도를 가진 파도 시스템을 재현하려면, 이러한 각 파도 시스템 고유의 특징을 고려하여 각각 독립적으로 값을 설정할 수 있어야 한다.
다음은 Longuet-Higgins가 제안한 방향 분포 함수를 보여준다.
Figure 112016504430007-pat00002
여기서 θ는 바람의 방향과 파도의 이동 벡터 사이의 각이며, Г() 표기는 감마 함수를 의미한다.
그리고 s(w)는 Mitsuyasu가 제안한 경험식으로 w≤w0이면 μ=5.0, 그 외의 경우에는 μ=-2.5이다.
Figure 112016504430007-pat00003
각 파도 시스템별로 정의된 스펙트럼의 형상과 파의 진행 방향은 이 둘을 곱한 형태(S(w)D(w,θ)) 방향 스펙트럼(directional spectrum)으로 표현된다.
S 3 단계 (성분파 샘플링 단계)
성분파 샘플링 모듈이 상기 정의된 각 파도 시스템별 스펙트럼으로부터 시뮬레이션에 필요한 성분파들을 샘플링 한다.
성분파(Component Wave)는 도 6과 같이 매우 불규칙한 해양파가 여러 규칙파의 조합으로 이루어진다고 가정했을 때, 각각의 규칙파들을 일컫는 것이다.
즉, 불규칙한 해양파를 구성하는 각각의 규칙파, 정현파들을 성분파라고 한다.
성분파 샘플링 모듈은 복수의 파도 시스템별로 독립적으로 성분파들을 샘플링 하되 각 파도 시스템별 특성을 고려하여 성분파들을 샘플링 한다(도 2).
예를 들어, 성분파 샘플링 모듈은 파도 시스템이 풍파인 경우에는 고주파 대역을 중심으로 성분파를 샘플링 하고, 파도 시스템이 너울인 경우에는 저주파 대역을 중심으로 성분파를 샘플링 한다.
또한 성분파 샘플링 모듈은 각 파도 시스템별로 성능상의 이유 등으로 샘플링 하는 성분파의 개수를 다르게 설정할 수 있으며, 하나의 파도 시스템에 대해 서로 다른 샘플링 간격으로 여러 번 샘플링을 수행할 수도 있다.
S 4 단계 (역 푸리에 변환 단계)
역 푸리에 변환 모듈이 상기 샘플링 된 각 파도 시스템별 성분파들을 합성하여 공간 영역에서의 높이장으로 변환한다.
공간 영역(Spatial Domain)은 주파수 영역에서 역 푸리에 변환된 결과 값을 의미한다.
일반적인 푸리에 변환은 도 7과 같이 시간 영역과 주파수 영역 간의 변환을 수행하는데, 이와 유사하게 시간에 따른 샘플링이 아닌 공간에 따른 샘플링을 수행한다고 하면, 푸리에 변환을 공간 영역과 주파수 영역 간의 변환을 수행하는 것으로 볼 수 있다.
높이장(Height Field)은 높이맵(Height Map)이라고도 부르며, 각 픽셀 값이 고도 값을 저장하고 있는 2차원 이미지이다.
도 8의 왼쪽 그림이 높이장의 한 예로, 그림에서 어두운 부분일수록 낮은 고도, 밝은 부분일수록 높은 고도를 의미하는 영상으로 해석된다.
도 8의 왼쪽 그림을 실제 3차원으로 표현하면 도 8의 오른쪽 그림과 같은 형태로 나타난다.
이와 유사하게 푸리에 영역 접근법에서는 해양 표면을 우선 높이장으로 표현한 후, 이를 최종적으로 3차원 해양 표면으로 나타내게 된다.
본 발명의 경우 역 푸리에 변환은 다음 수식과 같이 일반적인 푸리에 영역 접근법들과 동일하나, 복수의 파도 시스템이 존재하므로 각 파도 시스템의 개수만큼의 역 푸리에 변환이 필요하다(도 2, 도 3).
Figure 112016504430007-pat00004
여기서
Figure 112016504430007-pat00005
는 위치 좌표, t는 시간,
Figure 112016504430007-pat00006
는 파수 벡터(wave vector)를 나타내며, 해양파 스펙트럼으로부터 샘플링 한 주파수 영역에서의 높이장인
Figure 112016504430007-pat00007
(Fourier amplitudes)를 역 고속 푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)을 이용하여 공간 영역에서의 높이장인 h로 변환한다.
S 5 단계 (해양 표면 합성 단계)
해양 표면 합성 모듈이 각 파도 시스템별로 생성된 여러 높이장을 원하는 시점에 추가 또는 제외하여 목표로 하는 해양 표면을 구성한다.
본 발명에서는 단일이 아닌 복수의 파도 시스템을 정의하므로 단일의 파도 시스템만이 존재하는 경우와 달리 다양한 해상 상태를 지정할 수 있다.
즉, 해양 표면 합성 모듈은 상기 정의된 복수의 파도 시스템 중 하나 또는 둘 이상을 필요에 따라 추가 또는 제외하는 과정을 통하여 실제에 근접하는 해양 표면을 구성하는 것이다(도 2, 도 3).
예를 들어, 해양 표면 합성 모듈은 잔잔한 해양에 바람이 불어 풍파가 발생하고 멀리서 전파되어 온 너울이 추가되어 복수의 파도 시스템이 공존하는 상황을 재현할 수 있으며, 풍파와 너울이 공존하는 상황에서 바람이 잦아들어 풍파가 서서히 사라지고 너울만 존재하는 것으로 변화하는 상황을 재현하는 것도 가능하다(도 3, 도 9).
즉, 도 9의 좌상단은 잔잔한 해양 표면, 우상단은 풍파만 존재하는 해양 표면, 좌하단은 너울만 존재하는 해양 표면, 우하단은 풍파와 너울이 공존하는 해양 표면을 나타내는 것으로, 이들 각각의 그림은 몇 가지 파도 시스템의 조합 간 변화를 통하여 재현될 수 있는바, 이러한 각 파도 시스템의 조합 간 변화 재현은 각 파도 시스템을 이루는 성분파들의 구성 및 주기, 위상 등은 그대로 유지하면서, 진폭 값만 목표 진폭 값에 도달할 때까지 지정된 속도로 천천히 변화하도록 제어하는 것으로써 구현 가능하다.
또한 본 단계에서 해양 표면 합성 모듈은 해양 표면을 합성하는 과정에서 파도 시스템마다 개별적으로 파의 형상을 지정하는 것도 가능하다.
이는 다음 수식으로 표현되는, 일반적인 푸리에 영역 접근법에서 사용하는 변위 벡터장(Displacement Vector Field)을 각 파도 시스템별 해양 표면에 적용하는 과정에서 지정할 수 있다.
Figure 112016504430007-pat00008
상기 수식을 통해 계산된 변위 벡터장은 해양 표면상의 격자점
Figure 112016504430007-pat00009
를
Figure 112016504430007-pat00010
로 변환하는 데 사용된다.
여기서 λ는 변위 벡터의 영향 정도를 조절하는 가중치 파라미터로, λ가 커지면 해양 표면이 뾰족해지며 λ가 작아지면 해양 표면이 둥근 모양을 가진다.
이를 통해 풍파의 경우 그 형상의 특성을 살려 뾰족하게 묘사하고, 너울은 둥근 모양으로 묘사하는 것이 가능하다.
S 6 단계 (해양 표면 렌더링 단계)
해양 표면 렌더링 모듈이 상기 합성된 해양 표면의 광학적 특성을 반영하여 최종적으로 해양 표면을 전시한다.
즉, 본 단계에서 해양 표면 렌더링 모듈은 해양 표면의 노말(Normal) 벡터 정보를 바탕으로 상기 합성된 해양 표면에 빛의 굴절, 반사 등의 특성을 적용한다.
이는 각각의 파도 시스템별로 계산된 노말 벡터를 상기 합성된 해양 표면의 노말 벡터로 합성하는 과정 등을 포함한다(도 2, 도 3).
이를 통해 너울이 만들어 내는 큰 그림자와 빛 반사, 그리고 풍파가 만들어 내는 작은 그림자와 빛 반사 등을 하나의 해양 표면에서 동시에 재현 가능하다.
도 10은 순서대로 풍파, 너울, 풍파와 너울의 조합 상태에 대해 오른쪽에 그와 대응되는 노말 벡터들을 가시화한 것이다.
해양 표면의 노말 벡터는 해양 표면의 각 위치에서 x, y 축 방향으로 각각 접선 벡터를 구한 후, 이들을 벡터곱(Cross Product) 및 정규화(Normalize)하여 구한다.
그런데 복수의 파도 시스템이 존재하는 경우, 각 파도 시스템별로 별도의 해양 표면이 만들어지므로 노말 벡터도 각 파도 시스템별로 만들어지게 된다.
따라서 두 개 이상의 파도 시스템이 공존하는 경우의 노말 벡터는, 먼저 각 파도 시스템별로 해양 표면의 각 위치에서 x, y 축 방향으로 각각 접선 벡터들을 구한 후, 각 축 별로 접선 벡터들을 더하고, 각 축 별 벡터들을 벡터곱 및 정규화함으로써 구할 수 있다.
참고로 노말 벡터는 도 11과 같이 해양 표면이 바라보는 방향을 정의한다.
그리고 노말 벡터는, 반사의 경우 도 12와 같이 광원과 노말 벡터와 카메라(시점) 간의 관계로부터, 굴절의 경우 도 13과 같이 광원의 위치와 노말 벡터와 굴절률 간의 관계로부터 계산이 가능하다.
이에 따라, 본 발명은 해양 표면 시뮬레이션과 관련하여, 복수의 파도 시스템에 의한 해양 표면의 다양한 상태를 재현할 수 있으며, 해양파 스펙트럼에 기반하여 사실적으로 시뮬레이션 함으로써 실시간 선박운항 시뮬레이터 등의 사용자에게 실제와 유사한 경험을 제공할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S 1 : 파도 시스템 정의 단계
S 2 : 스펙트럼 정의 단계
S 3 : 성분파 샘플링 단계
S 4 : 역 푸리에 변환 단계
S 5 : 해양 표면 합성 단계
S 6 : 해양 표면 렌더링 단계

Claims (16)

  1. 파도 시스템에 의한 여러 해양 표면의 상태를 해양파 스펙트럼에 기반하여 사실적으로 재현할 수 있도록 한, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법으로서,
    파도 시스템 정의 모듈이 시뮬레이션 시나리오에 따라 필요한 복수의 파도 시스템을 정의하는 단계(S 1);
    스펙트럼 정의 모듈이 상기 정의된 각 파도 시스템의 특성이 반영되도록, 복수의 파도 시스템 각각에 대하여, 고주파 및 저주파 성분 별 에너지의 그래프 상 형태를 결정짓는 변수인 풍속, 첨두(Peak) 주기 및 주파수 중 어느 하나 이상을 포함하는 스펙트럼 파라미터를 정의하는 단계(S 2);
    성분파 샘플링 모듈이 상기 정의된 각 파도 시스템별 스펙트럼 별로 독립적으로 성분파들을 샘플링 하되, 파도 시스템이 풍파인 경우에는 고주파 대역을 중심으로 성분파를 샘플링하고, 파도 시스템이 너울인 경우에는 저주파 대역을 중심으로 성분파를 샘플링하며, 각 파도 시스템 별 샘플링하는 성분파의 개수를 다르게 설정하고 하나의 파도 시스템에 대해 서로 다른 샘플링 간격으로 여러 번 샘플링을 수행하는 단계(S 3);
    역 푸리에 변환 모듈이 상기 샘플링 된 각 파도 시스템별 성분파들을 합성하여 공간 영역에서의 높이장으로 변환하는 단계(S 4);
    해양 표면 합성 모듈이 각 파도 시스템별로 생성된 여러 높이장을 특정 시점에 추가 또는 제외하여 해양 표면을 합성하되, 복수의 파도 시스템 중 하나 또는 둘 이상을 추가 또는 제외하는 과정을 통하여, 각 파도 시스템을 이루는 성분파들의 구성 및 주기, 위상은 유지하면서 진폭값을 목표 진폭값에 도달할 때까지 지정된 속도로 천천히 변화하도록 제어함으로써, 풍파 및 너울이 존재하지 않는 해양 표면, 풍파만 존재하는 해양 표면, 너울만 존재하는 해양 표면 및 풍파와 너울이 공존하는 해양 표면에 대한 각 파도 시스템의 조합 간 변화를 재현하는 단계(S 5); 및
    해양 표면 렌더링 모듈이 상기 합성된 해양 표면의 광학적 특성을 반영하여 최종적으로 해양 표면을 전시하는 단계(S 6);
    를 포함하되,
    상기 각 단계들은 상기 복수의 파도 시스템에 대해 개별적, 독립적으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 S 1 단계에서, 상기 파도 시스템은 서로 다른 장소와 조건에서 생성된 파도 그룹으로 정의되는 것을 특징으로 하는, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 파도 시스템은 풍파와 너울을 포함하는 것을 특징으로 하는, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 S 2 단계에서, 상기 스펙트럼 정의 모듈은 각 파도 시스템별로 스펙트럼의 형상과 파의 진행 방향을 독립적으로 설정하는 것을 특징으로 하는, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 스펙트럼 정의 모듈은 상기 파의 진행 방향과 함께 해당 방향으로 파가 얼마나 집중되어 진행하는지를 나타내는 방향 집중도를 함께 지정하는 것을 특징으로 하는, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 S 4 단계에서, 상기 역 푸리에 변환 모듈은 복수의 파도 시스템의 개수만큼의 역 푸리에 변환을 수행하는 것을 특징으로 하는, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법.
  12. 삭제
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 S 5 단계에서, 상기 해양 표면 합성 모듈은 해양 표면을 합성하는 과정에서 파도 시스템마다 개별적으로 파의 형상을 지정하는 것을 특징으로 하는, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 S 6 단계에서, 상기 해양 표면 렌더링 모듈은 해양 표면의 노말 벡터 정보를 바탕으로 상기 합성된 해양 표면에 빛의 굴절 및 반사의 광학적 특성을 적용하는 것을 특징으로 하는, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 해양 표면 렌더링 모듈은 각각의 파도 시스템별로 계산된 노말 벡터를 상기 합성된 해양 표면의 노말 벡터로 합성하는 것을 특징으로 하는, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 방법.
  16. 파도 시스템에 의한 여러 해양 표면의 상태를 해양파 스펙트럼에 기반하여 사실적으로 재현할 수 있도록 한, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 장치로서,
    시뮬레이션 시나리오에 따라 필요한 복수의 파도 시스템을 정의하는 파도 시스템 정의 모듈;
    상기 정의된 각 파도 시스템의 특성이 반영되도록, 복수의 파도 시스템 각각에 대하여, 고주파 및 저주파 성분 별 에너지의 그래프 상 형태를 결정짓는 변수인 풍속, 첨두(Peak) 주기 및 주파수 중 어느 하나 이상을 포함하는 스펙트럼 파라미터를 정의하는 스펙트럼 정의 모듈;
    상기 정의된 각 파도 시스템별 스펙트럼 별로 독립적으로 성분파들을 샘플링 하되, 파도 시스템이 풍파인 경우에는 고주파 대역을 중심으로 성분파를 샘플링하고, 파도 시스템이 너울인 경우에는 저주파 대역을 중심으로 성분파를 샘플링하며, 각 파도 시스템 별 샘플링하는 성분파의 개수를 다르게 설정하고 하나의 파도 시스템에 대해 서로 다른 샘플링 간격으로 여러 번 샘플링을 수행하는 성분파 샘플링 모듈;
    상기 샘플링 된 각 파도 시스템별 성분파들을 합성하여 공간 영역에서의 높이장으로 변환하는 역 푸리에 변환 모듈;
    각 파도 시스템별로 생성된 여러 높이장을 특정 시점에 추가 또는 제외하여 해양 표면을 합성하되, 복수의 파도 시스템 중 하나 또는 둘 이상을 추가 또는 제외하는 과정을 통하여, 각 파도 시스템을 이루는 성분파들의 구성 및 주기, 위상은 유지하면서 진폭값을 목표 진폭 값에 도달할 때까지 지정된 속도로 천천히 변화하도록 제어함으로써, 풍파 및 너울이 존재하지 않는 해양 표면, 풍파만 존재하는 해양 표면, 너울만 존재하는 해양 표면 및 풍파와 너울이 공존하는 해양 표면에 대한 각 파도 시스템의 조합 간 변화를 재현하는 해양 표면 합성 모듈; 및
    상기 합성된 해양 표면의 광학적 특성을 반영하여 최종적으로 해양 표면을 전시하는 해양 표면 렌더링 모듈;
    을 포함하되,
    상기 파도 시스템은 단일이 아닌 복수의 파도 시스템이며,
    상기 각각의 파도 시스템별로 개별적, 독립적으로 속성이 정의되는 것을 특징으로 하는, 해양파 스펙트럼을 이용한 해양 표면의 사실적 시뮬레이션 장치.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190043426A (ko) * 2017-10-18 2019-04-26 (주)씨텍 해양관측 모듈용 성능시험 장치
CN109712243A (zh) * 2018-11-22 2019-05-03 华中科技大学 一种基于蒙特卡罗法的生成单向传播海浪的海面的方法
KR102006325B1 (ko) * 2018-12-21 2019-08-01 한국해양과학기술원 베이스 스펙트럼을 이용한 바다 상태 변화 시뮬레이션 방법
CN114674524A (zh) * 2022-03-03 2022-06-28 深圳市朗诚科技股份有限公司 波浪谱测量方法、波浪测量装置及计算机可读存储介质

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
박세길 외,선박운항 시뮬레이터를 위한 풍파와 너울의 실시간 시뮬레이션,정보과학회논문지,pp.846-851(2015.07)*
박세길 외,선박운항 시뮬레이터를 위한 해양파 가시화 방안 고찰,해양환경안전학회지,pp.215-222(2015.04)
여동진 외,선박 운항 시뮬레이터에서 해양파와 연동된 선박 및 부표 운동의 실시간 가시화,한국CAD/CAM학회 논문집,pp.227-235(2011.06)*

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190043426A (ko) * 2017-10-18 2019-04-26 (주)씨텍 해양관측 모듈용 성능시험 장치
KR101973355B1 (ko) 2017-10-18 2019-04-29 (주)씨텍 해양관측 모듈용 성능시험 장치
CN109712243A (zh) * 2018-11-22 2019-05-03 华中科技大学 一种基于蒙特卡罗法的生成单向传播海浪的海面的方法
CN109712243B (zh) * 2018-11-22 2020-09-18 华中科技大学 一种基于蒙特卡罗法的生成单向传播海浪的海面的方法
KR102006325B1 (ko) * 2018-12-21 2019-08-01 한국해양과학기술원 베이스 스펙트럼을 이용한 바다 상태 변화 시뮬레이션 방법
CN114674524A (zh) * 2022-03-03 2022-06-28 深圳市朗诚科技股份有限公司 波浪谱测量方法、波浪测量装置及计算机可读存储介质

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