内河船舶航行环境视景三维仿真

内河船舶航行环境视景三维仿真田延飞;黄立文;陈姚节;谭天力【摘要】Based on the development directions and requirements of navigation simulation,3D visual simulation of inland waterway navigation environment was taken as the research object,in order to expand the practice area and improve the simulation accuracy at the sametime.Elements composing the scenery of inland waterway navigation environment were deeply analyzed and divided into twocategories:topographic and geomorphic features,surface and offshore targets.The mainstream software in scene simulation field such as 3D MAX and Multigen Creator were adopted for 3D modeling of the composing elements.Under the environment of VC++,the open source software OpenSceneGrap (OSG) was chosen as the driving platform to realize data fusion of 3D model of inland waterway navigation environment and strengthen simulation authenticity with meticulous rendering.Simulation shows that the constructed 3D models of inland waterway navigation environment are of higher precision,and its driving scenario is of verisimilitude,which can meet the navigation simulation requirements and can be recommended for development of large ship handling simulator.%基于航海仿真的发展方向和发展需求,为增加练习海域并同时提高仿真精度,以内河船舶航行环境三维建模仿真为研究对象,分析了内河船舶航行环境视景的组成要素,将其主要划分为地形地貌、水面及近岸陆域物标两大模块,并以视景仿真领域3D MAX、Multigen Creator等主流软件对其进行三维建模.在VC++环境下,以开源软件OpenSceneGraph (OSG)为驱动平台,对内河船舶航行环境视景模块三维模型进行了数据融合,同时以细致的渲染来加强模拟的真实感.仿真显示:所构建的内河船舶航行环境三维模型具有较高的精度,场景驱动具有逼真的效果,能够满足航海仿真的要求并应用于大型船舶操纵模拟器建设.【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)003【总页数】6页(P115-120)【关键词】航海工程;内河航行;视景仿真;OpenSceneGraph (OSG)【作者】田延飞;黄立文;陈姚节;谭天力【作者单位】武汉理工大学航运学院,湖北武汉430063;内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063;武汉理工大学航运学院,湖北武汉430063;内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063;武汉理工大学航运学院,湖北武汉430063;内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063;武汉理工大学航运学院,湖北武汉430063;内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063【正文语种】中文【中图分类】U675.790 引言随着计算机硬件和计算机图形学的发展,科学计算可视化已成为一门独立的新型学科。

特别的，近年来发展越来越快的虚拟现实技术将其带入一个全新的境界[1]。

视景仿真是一种基于计算信息的沉浸式交互环境，其核心就是通过计算机软硬件技术生产逼真的视听沉浸式效果。

作为计算机技术中最为前沿的应用领域之一，视景仿真已广泛应用于模拟驾驶、场景再现、城市规划等应用领域[2-3]。

在航海仿真领域，船舶航行环境视景仿真是其关键内容之一。

随着仿真技术向可视化方向的发展，使用三维仿真技术模拟船舶航行环境，构建岸景、地形、水文、助航设施以及交通流等环境信息，不仅可以实现航运安全环境的预见、模拟和还原，同时也能够促进航运安全的改善和提高。

三维可视化技术对船舶航行综合环境的表达相对于传统的二维电子江图更加直观、形象和准确[4]。

但是，目前国内建设(引进或自主研发)的大型船舶操纵模拟器多针对近海、沿海港口，其视景数据库中一般多为该类航行场景的三维数据，内河船舶航行视景三维模型数据还很少。

尽管国内大连海事大学、上海海事大学、武汉理工大学等在专门研发内河船舶操纵模拟器上做出了贡献，并成功研制出了自主品牌的内河船舶操纵模拟器，其模拟器中船舶航行视景数据库并不丰富(针对很少部分的内河航段而建设)，且仿真效果还需要完善。

因此，有必要就内河水域船舶航行环境三维仿真展开研究。

一是，其能够用于丰富现有的船舶驾驶模拟系统，为船舶驾驶模拟器提供更多的练习水域。

二是，能够用于专门的内河船舶驾驶模拟器系统的建设。

三是，对内河船舶航行环境进行三维仿真，以直观地反映出航道内包括本船在内的水面物标、近岸陆域趸船、码头、引桥、房屋等物标，其高精度的可视化的效果可以作为船舶驾驶人员熟悉通航环境的辅助手段，也可以应用于第三方(如海事主管部门)的现场监控系统。

1 技术支持1.1 三维建模软件平台在视景三维仿真系统的建设与应用中，对象三维视景模型的构建是视景仿真系统建立的基础，也是视景仿真系统应用效果的关键。

目前主流建模软件种类繁多，功能多样，比如3D MAX、ImageShop、Maya、SolidWorks、Multigen Creator等建模软件，它们都在各自应用领域内发挥针对性的效用。

选择合适的船舶航行环境仿真建模软件，对于仿真系统的构建十分重要。

3D MAX和Multigen Creator 是虚拟现实建模常用的软件。

鉴于不同软件平台的优势，笔者对船舶航行环境视景组成要素三维建模主要基于3D MAX和Multigen Creator。

1.2 视景模型驱动平台目前，用于对象视景三维仿真的软件平台有很多种，如Multigen Vega、QUEST 3D、OpenGL、OpenScenceGraph (OSG)等。

笔者选用OSG作为内河船舶航行环境视景三维模型的驱动(引擎)平台，主要基于如下几点考虑：1)OSG是一个面向对象的三维视景仿真开发包，它包含了极其丰富的类库，操作灵活，性能优越，更为重要的是OSG 是开源的三维引擎底层应用库，可以支持多平台、多语言使用。

2)OSG是采用C++语言进行编写的，封装OpenGL作为底层平台的开源库，不仅具有OpenGVS、Vega prime的模块化和易操作等优点，而且具有针对不同需求更改底层代码的灵活性等优点[2-3,5-6]。

3)OSG提供一个专门的应用模块osgOcean，来模拟海洋场景，包括天空、云、海水、波浪等。

在视点跟踪的范围内，OSG能够实时显示海洋场景(含特效)；当视点移动到定义海洋场景的矩形边界后，系统再加载当前视点跟踪范围内的区域进行显示，从而，系统运行过程中能够节省大量的内存。

4)利用osgOcean建立的三维海洋场景，可以实时的改变海洋环境的属性参数，从而改变海情，达到营造逼真的海洋场景地目的。

2 技术路线笔者基于OSG实现的内河船舶航行环境视景三维仿真主要有以下步骤：1)对象视景三维建模。

对水面及近岸陆域物标(实体)、地形地貌视景进行三维建模，保存为可调用的*.flt文件。

对象视景三维建模关键技术将在3.1中叙述。

2)进行初始化设置。

在OSG中初始化配置天空和海洋环境等特殊效果。

3)导入模型文件。

通过osgDB::readNodeFile 函数将已保存的*.flt模型文件导入到OSG 图形程序。

4)场景驱动。

编制OSG主程序，调用动态物标运动状态数据对该类物标视景的三维模型予以驱动。

例如，为实现某个船舶运动视景的三维仿真，可通过实船实验(或自航模实验)获取的船舶六自由度的实验数据，将实验数据结果加载到船舶模型上用于驱动其视景三维模型[7]。

各物标视景三维模型驱动过程中，通过视点追随(切换)[2]，实现视点更新，从而对仿真的整个航行环境的三维视景进行显示。

基于OSG的内河船舶航行环境视景三维仿真流程如图1。

图1 基于OSG的内河船舶航行视景仿真流程Fig. 1 Visual scene simulation process of inland waterway navigationalenvironment based on OSG3 关键技术分析3.1 场景节点组织参考航海类专业文献[8-9]，船舶航行环境系统由气象、水文、航道条件、航道设施、港口(码头)设施等组成。

从仿真的角度，对内行船舶航行环境的三维仿真对象主要是船舶航行环境系统中的视觉可见部分，如气象因素(天空颜色、云彩、雨、雪、雾等)、水面颜色、地形地貌以及水面和近岸陆域各类物标(实体如船舶、航标、灯船、桥梁、趸船、码头、引桥、树木、房屋等)。

另外，由于OSG 采用节点机制对场景进行组织管理[10]，因此根据船舶航行环境的三维仿真对象各自的类别，采用表1所述节点对内河船舶航行环境场景进行组织和管理，即针对对象类别将各个模型分开建立节点进行控制，最后汇总，以一个总节点进行绘制。

表1 基于OSG的内河船舶航行环境场景节点组织Table 1 Node organizationof OSG based scene of inland waterwaynavigational environment总节点组节点组节点根节点叶节点船舶航行环境视景物标(实体)地形地貌海洋(河面)水面物标近岸陆域物标水下(含水中岛屿等)地形地貌近岸陆域地形地貌天空水面船舶、航标、灯船、桥梁等趸船、码头、引桥、树木、房屋等地形地貌地形地貌天空自身云、雾、雨、雪等水面波浪平面坐标尺度材质平面坐标尺度材质尺度材质材质平面坐标高度材质颜色量色泽水面颜色高度浪花颜色3.2 三维建模技术3.2.1 基于3D MAX的水面及近岸陆域物标三维建模除采用编辑软件系统自带的部分物标三维模型来获得研究航段部分水面及近岸陆域物标(如航标、灯船、树木等)的三维模型外，对研究航段水面及近岸陆域特征物标，采用高清相机拍照、无人机航拍、高清卫星图片等物标高程数据和纹理特征，在3D MAX平台实现水面与近岸物标视景的三维建模。