船舶机舱三维视景仿真系统的应用与发展

船舶机舱三维视景仿真系统的应用与发展

张荣耀

武汉船舶设计研究院有限公司湖北省武汉市430060

摘要：针对船舶机舱三维视景仿真系统在航海教育与培训领域中的应用，定义了船舶机舱三维视景仿真系统的概念、类型与基本技术需求、对国内外研究现状进行了总结与分析，对目前在船舶机舱三维视景仿真的实际开发过程中所应用的主要技术手段进行了介绍，并结合实际开发经验给出了包括三维引擎的选择、虚拟机舱场景三维建模、场景优化技术、实时渲染技术的实施方案，最终结合新形势下的实际需求对船舶机舱三维视景仿真系统的发展方向进行了展望。

关键词：船舶机舱；三维视景；仿真系统；应用；发展

引言

船舶轮机模拟器采用半实物仿真方法为训练者搭建一种自主训练平台，轮机模拟器的各个物理仿真盘台（船舶电站、集控台、本地控制箱等）的外观可设计成与母型船高度一致，训练者在仿真设备上操作可获得与实船相近的系统反馈过程，同时应用轮机模拟器可完成许多实船中禁止的训练内容，并可反复进行训练不受时间与空间的限制。

1.船舶机舱三维视景仿真系统的概念、类型、技术要求

1.1船舶机舱三维视景仿真系统的概念

船舶机舱三维视景仿真系统即是联合利用三维建模技术、人机交互技术、三维数据可视化技术等，同时结合轮机专业知识建立一与实际船舶机舱环境高度一致的虚拟环境，并将其通过多种媒介以立体化的形式显示在人机交互设备上。船舶机舱三维视景仿真系统需能够给予使用者高度的“自主性”，至少应可实现船舶虚拟机舱的全景漫游，虚拟轮机系统与设备的操作，并且获得与实船一致的真实的数据反馈及声光效果，从而加强训练者的实船机舱环境认知感与操作感。高度的真实感与沉浸感是船舶机舱三维视景仿真系统的最大优点。

1.2船舶机舱三维视景仿真系统的类型

目前三维视景仿真系统的硬件环境种类较多，有多通道柱幕，球幕系统，穹幕系统及洞穴式投影系统等，上述三维视景仿真系统能够提供给使用者较高的沉浸感，但是在组织大规模培训时显得不够实用，这是因为一方面上述虚拟现实硬件设备购置与维修费用昂贵，另一方面上述硬件设备不适合多人同时使用、操作，培训效率有限，根据作者所在教研室的项目组开发经验与用户反馈，桌面虚拟现实系统完全可满足船员培训的需求，一方面其成本低廉，另一方面通过搭建网络结构，可实现多人团队协作训练，亦可单人单机训练，培训方式相当灵活。实际应用中，需根据具体的应用目的，合理的选择三维视景仿真系统的硬件环境。就桌面船舶机舱三维视景仿真系统而言，根据其网络结构又可分为单机版，局域网版，WEB版，前两种已有成功的应用案例，WEB版目前尚无报道有成功案例。

1.3船舶机舱三维视景仿真系统的基本技术要求

船舶机舱三维视景仿真系统属于虚拟现实技术在轮机仿真领域中的应用，因此船舶机舱三维视景仿真系统的技术要求进行评价也应参照虚拟现实技术的三大特征（沉浸感，交互性与构想性）。首先，所搭建的船舶机舱三维视景仿真系统要求具有较高的视觉真实感，一方面需能够真实的表现各类材质，更重要的一方面是需保证虚拟船舶机舱的三维模型尽可能与实船保持外观一致及功能一致，此项工作虽然繁琐且量大，但是尤为重要，因为它是建立高品质船舶机舱三维视景仿真系统的基础；再者，使用者在虚拟船舶机舱中应能够利用交互设备实现对轮机系统与设备的完整操作，这一方面要求合理的建立虚拟环境下的人机交互机制，并保证各交互实体的交互动作合理、属实，“交互性”是区别三维视景仿真系统与三维动画系统的根本；最后，所搭建的船舶机舱三维视景仿真系统需能够对轮机系统与设备的操作及运行状态进行真实的模拟再现，给予使用者类似实船的视觉、听觉感受及数据反馈，同时具有可拓展训练者认知范围的能力，为实现此目标，需要建立精确的轮机系统与设备数学与逻辑模型，并通过三维手段予以表现。

2.船舶机舱三维视景仿真系统的开发要点

2.1三维视景仿真引擎的选择

三维视景仿真引擎是指将各类复杂的3D图形算法整合，提供便捷的SDK结构供开发者开发各类三维视景应用的工具，目前市面上的主流三维引擎主要有XNA、OGRE、UNREAL、Unity-3D、VIRTOOLS、Vega、Web3D、GAMEBRYO与Quest3D。上述三维引擎各有优缺点，部分三维引擎在开发船舶机舱三维视景仿真系统中，大连海事大学的沈浩生应用微软公司发布的三维引擎XNA搭建了船舶虚拟集控室；大连海事大学的王源庆应用开源三维引擎OGRE开发了LNG船虚拟仿真训练系统；挪威KONSBERG公司应用Unity-3D开发与其发布的轮机模拟器配套的轮机设备三维虚拟训练软件；上海海事大学的靳少杉借助Quest3D探索了虚拟现实技术在轮机模拟器开发中的应用。

在开发船舶机舱三维视景仿真系统时，需根据开发成本、开发难度、交互能力、压缩比、图形引擎技术、应用平台等方面综合考虑以选择合适的三维视景仿真引擎。

2.2虚拟船舶机舱场景建模技术

建立虚拟船舶机舱场景的三维模型是开发船舶机舱三维视景仿真系统的基础，但同时也是整个项目开发的重点与难点，一方面虚拟场景的三维建模一般要占用项目总成本的50%~80%，三维建模时间也占整个项目开发周期的一般以上，另一方面与其它的虚拟仿真应用不同的是，船舶机舱三维视景仿真系统更加注重三维建模的准确性与原理性，例如所建立的虚拟轮机机电设备模型的尺寸、比例、结构组成要与实际设备保持一致；所建立的虚拟船舶机舱场景要符合造船工艺，以防对训练者产生误导；虚拟船舶机舱场景中的管系连接要严格符合轮机系统原理，淡水管系、燃油管系、蒸汽管系要求确实能够“走通”，上述要求进一步增加了船舶机舱三维建模的难度，同时船舶机舱场景设备繁多、管系复杂，属于典型的大规模场景，其虚拟场景三维模型的管理也属于一大难点。基础上并结合所在开发团队的实际开发经验，给出了如图1所示的船舶机舱三维建模流程，具体可参考如下步骤：

（1）基础数据的准备，包括母型船影像资料、机舱设备布置图、设备说明书与轮机系统原理图，上述资料是建立真实、准确的船舶机舱三维模型不可缺少的基础数据。

（2）建立轮机系统模型库。分析母型船影像资料，将较为常用且外观结构相近或相同的设备挑选出来并建立高精度模型以组成轮机系统模型库，以供建立机舱三维模型时随时调用。

（3）将船舶机舱结构与轮机设备的三维建模工作分离，在完成此项工作后按照机舱设备布置图将轮机设备摆放在船舶机舱中的正确位置。

（4）最终按照实船影响资料与轮机系统原理图建立虚拟机舱场景中的管系结构，以保证虚拟机舱场景的原理正确性。

（5）虚拟船舶机舱的三维模型可采用树形结构予以组织与管理，在对三维模型命名时需添加标识字段以区分交互实体与非交互实体，对于交互实体也需添加标识资源以区分交互实体的类型。

构建高品质的船舶机舱三维视景仿真系统，不仅是科学技术发展的产物，更是航海教育与培训领域的实际需求产物，优秀的船舶机舱三维视景仿真系统可提供使用者高度的仿实船真实感，具有二维轮机模拟器无可比拟的优势，可极大地提高培训效果。我国关于船舶机舱三维视景仿真系统的研究虽然起步较晚但发展迅速，与国际上同类产品相比较，国内在虚拟机舱场景真实感方面已处于领先地位，然而在人机交互友好性，实用性方面仍处于落后地位，且轮机系统与设备的数学模型与逻辑模型仍不够精确，需提升系统的总体品质。

参考文献

[1]贾宝柱，曹辉，张均东等．轮机模拟器及其关键技术[J]．中国航海，2012，35（1）：35-40.

[2]张巧芬，孙建波，史成军等．新型轮机仿真平台实操考试自动评估算法[J]．哈尔滨工程大学学报，2014，35（6）：725-730.