航海模拟器是虚拟现实技术在交通运输工程领域的重要应用,发展至今,已在航海教育、工程论证、学术研究等诸多领域发挥了重要作用。为进一步提升海洋场景的物理真实感,解决航海模拟器中交互场景建模复杂的问题,提高视景系统中海洋场景模型的集成度,本文围绕航海模拟器中基于物理模型的海洋场景运动与交互建模等关键技术进行深入的理论研究与探索,以期为提升航海模拟器性能提供理论基础与指导。为提升海洋场景的物理真实感,本文采用拉格朗日形式的Navier-Stokes方程组作为海水运动的控制方程组,并基于光滑粒子流体动力学方法对控制方程进行离散求解。主要针对海水的不可压缩性、边界处理与流固交互、海上溢油建模、随机脉冲风场建模、面向SPH框架的海洋表面重构等五个关键问题进行深入研究,旨在提出一种基于SPH框架的多场景建模方法,以降低不同场景模型之间的耦合难度、增强系统扩展性。为进一步增强SPH框架的不可压缩性,本文将以速度散度为源项的PPE与基于位置动力学的非线性密度约束相结合,提出一种新的混合不可压缩SPH框架。该框架首先通过求解密度约束,直接在位置层面调整粒子分布,保持密度不变性,然后通过求解PPE获得无散速度场,保证密度变化率为零。混合SPH模型通过限制密度变化量和密度变化率实现了更理想的不可压缩性。为解决航海模拟器中流固交互建模难度大的问题,本文基于混合SPH框架提出一种自适应单层非均匀采样边界粒子模型。该模型采用三维泊松圆盘采样(Poisson Disk Sampling,PDS)算法将刚体采样为单层边界粒子参与海水粒子物理属性的计算。引入人工质量,根据三维刚体的形状自适应地调整边界粒子贡献量,采用校正因子,修正缺失层边界粒子的贡献量,保证了边界海水粒子物理量计算的稳定性与交互过程的有效性。该边界模型与混合SPH模型自然耦合,且能自适应地处理各种形状的复杂边界。为解决航海模拟器中溢油场景物理真实感不足以及模型耦合难度大的问题,本文在混合SPH框架基础上,针对海上溢油场景,提出一种改进的粒子数密度模型。该模型基于等静态密度假设,可统一处理包括非均匀采样的边界粒子在内的所有邻域粒子,解决了流体交界面附近密度不连续的问题,能够有效地模拟海上溢油的扩散、漂移以及破碎等典型场景。为模拟大风浪等恶劣海况,基于混合SPH框架,提出一种三维随机脉冲风场模型。该模型基于Perlin噪声对初始风场进行扰动,采用改进的风廓线方程模拟风速的垂向衰减,通过调整脉冲周期及脉冲宽度可灵活控制风场强度。该风场模型可以有效地模拟海浪翻卷等复杂航海场景。为提升基于SPH框架的海洋表面重构效率与真实感,本文提出一种改进的各向异性屏幕空间流体渲染算法。该算法基于加权主成分分析法构造海水粒子位置协方差矩阵,采用双边Jacobi方法对协方差矩阵进行奇异值分解从而构造关于海水粒子的各向异性变换矩阵。推导了一种新的各向异性分段函数用于解决边缘区域海水粒子的畸变问题。相比于传统的屏幕空间算法,改进的各向异性屏幕空间算法不仅能产生更平滑的海水表面,而且能够很好地保留边缘特征,产生更精细的飞溅细节。本文提出的基于混合SPH框架的海洋场景运动与交互建模方法具有很强的应用性,其建模过程统一、系统集成度高,可以在统一的SPH框架下模拟多种典型的海洋场景,对提升航海模拟器性能具有重要的意义,为基于物理模型的航海模拟器海洋场景建模奠定了的理论基础。