The sea has a very wide, irregular, and continuously changing surface and is usually a mixed sea composed of several wave systems. Each wave system is generated from different locations and conditions and has its own characteristics. The Fourier domain approach using sea wave spectra is an effective technique for realistic simulation of sea surfaces in real time, but the conventional Fourier domain approach can not independently simulate the characteristics of each wave system. Existing studies have also focused only on the visual realism of the sea surface and lack physical realism, which is one of the important factors in the training simulator. Particularly, it is a major limitation that the low frequency and high frequency wave components of the mixed sea can not be properly simulated respectively. In this study, I propose a realistic and real-time simulation method of the mixed sea using base spectrum-based wave systems for maritime simulators. The proposed method recognizes the importance of the visual and physical contributions of each wave system and faithfully reproduce all wave systems in the mixed sea. In order to simulate the mixed sea, I generate and combine realistic spectrum-based wave systems using adaptive spectral sampling of the separated spectrum of multi-peaked spectrum. The unique characteristics of each wave system can be set independently through spectral parameters, sampling number and range, wave direction and spread, and the shape factor of waves. The proposed method can also simulate the smooth transition between different sea states that each wave system can have, as well as between wind sea, swell, and mixed sea in real time. Since the conventional Fourier domain approach takes a long time to sample, it is very difficult to simulate sea state change in real time. The proposed base spectrum based sea simulation enables fast and smooth sea state change simulation even in the presence of multiple wave systems. The base spectrum always has a constant energy distribution regardless of sea state changes, and is sampled only once during simulation preparation. The components of the sampled base spectrum can be transformed into the spectral components of the target sea state in a very short time, and the target sea state can be reproduced without additional sampling. Through the experiments, it is verified that the proposed method effectively reflects sea wave spectra and the reproduced sea shows very similar statistical characteristics to the actual sea. Experimental results also show that the proposed method realistically simulates both high frequency wind sea and low frequency swells in the mixed sea and reproduces various sea states and changes between them very fast and smoothly.
바다는 매우 넓고 불규칙하며 지속적으로 변화하는 표면을 가지고 있다. 일반적으로 바다는 여러 파도 시스템으로 구성된 혼합 바다이며, 각 파도 시스템은 서로 다른 장소와 조건에서 생성되어 각자 고유한 특성을 가지고 있다. 해양파 스펙트럼을 사용하는 기존의 푸리에 영역 접근법은 실시간으로 바다 표면을 사실적으로 시뮬레이션하는 효과적인 기술이지만, 기존의 푸리에 영역 접근법은 각 파도 시스템의 고유 특성을 독립적으로 시뮬레이션하지 못한다. 또한 기존의 연구들은 바다 표면의 시각적 사실성에만 중점을 두어 훈련용 시뮬레이터에서 중요한 요소 중 하나인 물리적 사실성이 부족하다. 특히 혼합 바다가 가지는 저주파 및 고주파 파도 성분들이 각각 적절히 시뮬레이션되지 못하는 부분은 주요한 한계점이다. 본 연구에서는 바다를 배경으로하는 실시간 시뮬레이터를 위해 다수의 베이스 스펙트럼 기반 파도 시스템을 이용한 혼합 바다의 사실적인 실시간 시뮬레이션 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 각 파도 시스템의 시각적, 물리적 기여의 중요성을 인식하고 혼합 바다의 모든 파도 시스템을 충실하게 재현한다. 혼합 바다를 시뮬레이션하기 위해 제안하는 방법은 다중 피크 스펙트럼을 각 파도 시스템별로 분리하고 분리된 스펙트럼들에 적응적 스펙트럼 샘플링을 적용하여 사실적인 스펙트럼 기반의 파도 시스템들을 생성하고 결합한다. 각 파도 시스템의 고유한 특성은 스펙트럼 매개변수, 샘플링 개수 및 범위, 파도의 방향 및 확산 정도, 파도의 형상 계수 등을 통해 독립적으로 설정할 수 있다. 또한 실시간으로 풍파, 너울 및 혼합 바다 사이의 전환은 물론 각 파도 시스템이 가질 수 있는 여러 바다 상태 사이의 부드러운 변화를 시뮬레이션할 수 있다. 기존의 푸리에 영역 접근법은 사전 샘플링을 통해 준비된 바다 상태가 아닌 경우 재현하려는 바다의 스펙트럼을 샘플링하는데 많은 시간이 소요되어 실시간 바다 상태 변화 시뮬레이션이 어렵다. 그러나 제안하는 베이스 스펙트럼 기반 바다 상태 변화 시뮬레이션은 다수의 파도 시스템이 존재하는 상황에서도 빠르고 부드러운 바다 상태 변화 시뮬레이션이 가능하다. 베이스 스펙트럼은 바다 상태의 변화와 관계없이 항상 일정한 에너지 분포를 가지며, 시뮬레이션 준비시 한번만 샘플링 된다. 샘플링된 베이스 스펙트럼의 성분들은 목표 바다 상태의 스펙트럼 성분으로 매우 짧은 시간에 변환이 가능하여 추가적인 샘플링없이 목표 바다 상태를 재현할 수 있다. 실험을 통해 제안하는 방법이 각 파도 스펙트럼을 효과적으로 반영하고 재현된 바다가 실제 바다와 매우 유사한 통계적 특성을 가지고 있음을 확인하였다. 실험 결과는 또한 제안하는 방법이 혼합 바다 재현 시 고주파 대역의 풍파와 저주파 대역의 너울을 모두 사실적으로 시뮬레이션하며, 다양한 바다 상태들과 이들 사이의 변화를 매우 빠르고 부드럽게 재현할 수 있음을 보여 주었다.
