船舶机舱虚拟漫游技术

船舶机舱虚拟漫游技术

摘要:虚拟现实技术仿真越来越受到人们的关注,应用虚拟现实技术实现用户在虚拟机舱中的漫游是一项值得挑战的项目。随着虚拟现实的日益成熟,将彻底实现机舱漫游,有利于提高船员的操作水平,培养优秀的航运人才。

关键词:虚拟现实船舶机舱三维建模实时漫游

随着计算机技术、通信技术及其他相关技术的飞速发展,信息的可视化成为新的应用发展方向,基于虚拟现实的仿真技术日益成为当前研究的热点。VR利用计算机和电子技术产生逼真的视、听、触、力等三维感觉,用户通过专门的交互装置(例如立体眼镜、立体头盔等)与虚拟环境交互,产生身临其境的感觉。

VR技术的特征:(1)交互性。是指用户通过使用专用设备,用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作程度。(2)想象性。VR技术极大地依赖人类的想象力,可以充分发挥人类的创造性。(3)临场感。使用户产生身临其境的感觉。

当然,并非任何一个VR系统都具有上述的所有特征。美国是VR 技术的发源地,目前美国在该领域的研究一直处于领先。我国VR技术与其相比还有一定的差距,所以要量体裁衣,制定发展计划。在船舶轮机仿真领域,VR的应用较少,特别是一些高尖端的应用。虚拟机舱漫游仿真系统再现了实船的机舱,通过鼠标操作任意改变视点,在虚拟机舱

中进行漫游。实时虚拟仿真一个逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境。船舶机舱虚拟现实仿真系统的具体实现方法。

1 三维虚拟场景的建立

船舶机舱设备繁多、结构复杂、舱柜层次迭起。综合考虑开发工作量,研制周期和轮机仿真器现有要求,采用三维建模和照片贴图相结合的方案,对机舱中的主要设备船舶柴油主机建立三维模型,对其它设备和机舱背景采取贴图的方法,这样可达到较高的图象分辨率和较好的图象输出量。船舶轮机模拟器一般是以远洋集装箱船为仿真对象,使用CAD及3dMAX三维建模软件首先建立各设备的模型,然后根据实船布置,建立出船舶机舱虚拟场景,其中主要用到了下列主要技术和方法。

(1)场景数据库层次结构。适当的组织结构是用户创建满足自身需要模型的关键技术。在描绘大型虚拟环境时,往往会涉及到虚拟场景中各实体的具体结构和详细状态。因此,应根据虚拟场景中每个实体的空间位置,以及模型间的结构关系,确定虚拟场景中所有实体模型的层次结构。对于机舱中分布在不同层的机舱设备,因根据设备部件的名称和功能来划分。

(2)实例化技术。实例化是计算机图形学里为节省计算机的运行开销而采用的一种算法。例如,在虚拟机舱场景中,共有七台分油机,它们差别仅在于其位置和大小的不同,所以可以采用该方法,即只在内存

中存放一台分油机,将这台分油机进行平移、旋转、缩放之后得到其他分油机,从而大大地节约了内存空间。

(3)外部引用技术。外部引用的概念是在一个场景数据库中调用另一个场景数据库的模型,即读取场景数据库的模型数据,可以对外部引用的模型进行定位、旋转和缩放,但不能对模型进行修改和编辑。在船舶机舱场景三维模型地制作过程中大量使用了外部引用,对机舱中不同种类的设备分别生成一个模型文件,例如电机、电站、操控台、主机机旁控制台、发电机等。然后在一个场景数据库中使用外部引用调入这些模型。

(4)纹理映射技术。纹理映射是一种将二维图像映射到一个几何形状上来产生特殊效果或真实感的一种技术,并不是实际的几何模型。虚拟机舱中的不规则物体需要模拟,如机舱内部的大量规模较小的实体,常用的方法是通过分形、粒子、布尔等算法构造大量三维体组合而成。在虚拟场景模拟中,采用纹理映射技术可以较好地模拟这类物体,同时实现逼真度和运行速度的平衡,同时还可以赋予模型鲜明的色彩、贴图等特征。例如:图1集控室集中控制台,图2主机。

2 实时漫游

人机交互,一直都是虚拟现实系统研究中的重要内容。漫游系统的实时交互性,表现在两个方面:一是用户可对场景中的实体对象进行

某些操作,而且实体对象也能立即响应用户的操作;二是当用户的位置与视角改变时,漫游引擎要能够立即调度场景数据库实时生成新的视点画面,并显示给用户。视点控制交互方式的设计,主要考虑方便,即如何提供给用户一种自然方便地观察环境的方式。视点控制要能够模拟人在虚拟环境中观察场景,必要时还能全方位地浏览场景。移动(行走)有两种主要实现技术:直接映射与物理控制。直接映射,是将用户在现实世界中的动作,通过特殊设备直接映射到虚拟环境中去,如手势识别技术等。这种方式灵活,直观,准确的行为映射,目前还较难实现。物理控制,是使用一些物理设备如方向盘、操纵杆等,这种方式能增强用户在虚拟环境中存在感,但缺少自然地对应关系。机舱漫游系统,采用物理控制方法实现控制漫游,使用的交互设备是鼠标和键盘,实现交互控制的方法,采用直接读取设备信息并进行归类处理。

3 结论

我们应根据实际情况和技术条件,对机舱采用几何建模法来构造虚拟场景,构建了漫游系统的整体框架,完成了“虚物实化”的过程,船舶机舱虚拟现实仿真系统的场景构造按照图纸标注和实地测量数据进行;建模的同时还考虑了场景细节表现与图形系统负荷之间的高效平衡,采用模型结构调整、纹理映射、层次细节模型、实例化技术等技术方法对场景进行优化。通过采用这些方法,系统的整体性能得到了显著提高。使用各种仿真软件结合VisualC++编程环境,设计实现了虚

拟场景漫游的功能。用户不仅可以查看一些重要的机舱设备,还可以实现与轮机模拟器之间的通信和操作。能有效地模拟训练,提高用户的业务水平,有利于航运人才的培养。船舶机舱漫游是一个工作量较大的工程,虽然现在已解决了很多问题,但目前仍不够完善,具体有以下几个方面:1)虚拟机舱场景模型量较少,与真实机舱环境还有一定差距;2)可控制漫游方式下,操作方式还不太理想,有待于进一步的改善;3)对虚拟机舱中虚拟设备的操作方面,现有方法仍不够方便,还需改善。