船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺設(shè)計(jì)研究

李圓明

【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在各行各業(yè)中起到了重要的作用。船舶工程中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了多門學(xué)科，是一個(gè)較大的體系。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，使用硬件與軟件的開發(fā)平臺能夠提高工作的效率。本文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在船舶工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺的設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】船舶工程；虛擬現(xiàn)實(shí)；應(yīng)用平臺；研究

【中圖分類號】U664【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）02-0034-01

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種高新技術(shù)，可以通過計(jì)算機(jī)將復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，比傳統(tǒng)的人機(jī)界面有著質(zhì)的飛躍。在船舶工程中有很多方面都使用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，包括系統(tǒng)仿真、虛擬模擬器等，在教學(xué)和設(shè)計(jì)工作中十分受歡迎。通過虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用平臺模擬復(fù)雜的海洋航行環(huán)境和儀器設(shè)備操作效果，實(shí)現(xiàn)嶄新的人機(jī)交互，使用戶更加直觀、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)操作者的意圖。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在船舶工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要特征包括交互性、構(gòu)想性、感知性以及浸沒感，通過在計(jì)算機(jī)的作用下生成三維的虛擬環(huán)境，使參與者能夠感受到仿真的模擬環(huán)境，增強(qiáng)對事物的認(rèn)識能力。

在船舶的機(jī)艙內(nèi)有各種復(fù)雜的設(shè)備，所以制作出來的圖像比較繁瑣，使用輪機(jī)模擬器不能將機(jī)艙的整體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖制作出來，只能實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)工況參數(shù)儀表指示的仿真。在教學(xué)的過程中由于看不到機(jī)艙的實(shí)物，只能夠通過按鈕或者手柄實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，在故障的判斷方面還是存在一定的技術(shù)誤差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在船舶工程中使用多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)以及三維動(dòng)態(tài)仿真等技術(shù)在機(jī)艙動(dòng)感視景方面已經(jīng)小有成就，但是從國內(nèi)外的船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用研究方面，都沒有形成完整的體系，處于將半物理的仿真平臺轉(zhuǎn)向虛擬化的階段，所以還存在很大的進(jìn)步空間。

二、船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成

1、系統(tǒng)構(gòu)成

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺，是基于計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對船舶的虛擬操作、拆裝等過程。所以計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)給參與者提供了虛擬環(huán)境，整個(gè)系統(tǒng)包括三個(gè)方面：虛擬元器件庫、設(shè)備庫、實(shí)驗(yàn)單元和管理維護(hù)模塊。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺主要為用戶提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)訪問的服務(wù)器，在進(jìn)行虛擬硬件實(shí)驗(yàn)的時(shí)候可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺來實(shí)現(xiàn)程序的編輯、設(shè)計(jì)等。在虛擬仿真模塊主要進(jìn)行虛擬程序的編譯、運(yùn)行以及信號的檢測等。

2）虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺設(shè)計(jì)

主要有以下幾種類別：①虛擬器件類。可以通過虛擬器件對IC元件的功能進(jìn)行模擬。②虛擬儀表類。主要模擬對虛擬試驗(yàn)中的儀器儀表進(jìn)行仿真的模擬，比如探測器、信號發(fā)生器、LED等。③虛擬面包板類?？梢詫γ姘宓墓δ苓M(jìn)行模擬，通過虛擬引腳可以實(shí)現(xiàn)器件在面包板上的連接、信號傳播等。④虛擬實(shí)驗(yàn)臺類。可以對虛擬的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行模擬，主要負(fù)責(zé)各類儀表以及虛擬系統(tǒng)的管理。

2、功能的實(shí)現(xiàn)

1）元器件之間的連接

在虛擬元器件中主要通過引腳來實(shí)現(xiàn)不同器件之間的連接，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中連線工作是信號傳遞的介質(zhì)，是獨(dú)立的一個(gè)整體，主要以Active控件的形式存在，在外觀上由連線的點(diǎn)與線共同控制，實(shí)現(xiàn)了連線的工作運(yùn)行。對于一對一的連線形式，在Sender函數(shù)的作用下，能夠控制信號的接收和發(fā)送，整個(gè)過程中不會產(chǎn)生信號的沖突。但是在多種對接的連線類型中，會發(fā)送很多的信號，由于系統(tǒng)的抗干擾能力有限，所以會產(chǎn)生一定的沖突。由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有自身的特征，不同的信號在發(fā)送時(shí)，可以進(jìn)行相應(yīng)的邏輯處理，在信號源之間能夠?qū)⑺鼈兊牟煌P(guān)系分析出來，然后在邏輯處理的過程中將多種對接類型的連線轉(zhuǎn)化為一一對接的類型。具體的方法為：先分析各端點(diǎn)之間的關(guān)系，確定屬于哪種類型的連線，如果只有一個(gè)信號的發(fā)送，不同點(diǎn)的接收，就可以判斷為一對多的接收關(guān)系；有多個(gè)信號發(fā)送，不同點(diǎn)的接收，屬于多對多的類型的連線，判斷完之后在電路中安裝一個(gè)邏輯門電路，可以作為信號發(fā)送的輸入端，在門電路的作用下就能夠?qū)崿F(xiàn)一對一的連接關(guān)系。

2）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對信號的控制

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺要對船舶進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以要對計(jì)算機(jī)傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行有效的控制。在計(jì)算機(jī)虛擬硬件電路中，經(jīng)常把數(shù)字信號作為數(shù)據(jù)處理的對象，分析虛擬元件與電路的關(guān)系。在虛擬機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，虛擬連線作為主要的信號介質(zhì)，如果在虛擬元器件的內(nèi)部關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，引腳值也會相應(yīng)的改變，導(dǎo)致信號連接的連線值發(fā)生變化，這種情況叫做電路的觸發(fā)，是通過Sender的方式來完成的。

3）多緩沖區(qū)多線程技術(shù)

在虛擬機(jī)中主要通過多個(gè)線程來完成不同的系統(tǒng)操作，提高了線程間通信的效率，使操作變得簡單便捷。虛擬機(jī)通過數(shù)據(jù)緩沖的方式，可以將不同的模塊同步的運(yùn)行，占用系統(tǒng)最長時(shí)間的是虛擬機(jī)仿真運(yùn)行模塊，所以為了實(shí)現(xiàn)不同模塊的同步要求，對多終端及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)虛擬機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了緩存機(jī)制，將四個(gè)模塊設(shè)置相應(yīng)的緩存區(qū)，實(shí)現(xiàn)了線程的同步控制。

三、船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺系統(tǒng)模塊及功能

1、主要的系統(tǒng)模塊

1）CHSVL仿真運(yùn)行模塊

CHSBL作為虛擬機(jī)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺，可以將其分為四個(gè)模塊，包括虛擬機(jī)仿真運(yùn)行模塊、引腳模塊、編譯模塊以及信號輸出模塊。在這四個(gè)模塊相互作用之后實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)系統(tǒng)的仿真運(yùn)行。在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行中必須要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測、編譯、輸出的并行操作，這樣才能保證虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境不受影響。

2）軟件模型及數(shù)據(jù)庫的建設(shè)

建立完相關(guān)的功能模塊后，船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺能夠模擬出整條船的工作狀況，在實(shí)際的應(yīng)用中要對各種設(shè)備模型和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行研究，在建設(shè)軟件模型及數(shù)據(jù)庫的過程中要避免使用市場上的封閉式的應(yīng)用系統(tǒng)，比如虛擬輪機(jī)模擬器器模型、機(jī)艙設(shè)備模型等，同時(shí)還要保證數(shù)據(jù)模型具備二次開發(fā)功能，給用戶提供接口功能，而且對于不同低端的應(yīng)用軟件要組成將開放性的協(xié)同設(shè)計(jì)體系，設(shè)計(jì)結(jié)果可相互或轉(zhuǎn)換，這樣就能夠在最大程度上擴(kuò)展虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用。數(shù)據(jù)庫的建設(shè)要獨(dú)立于硬件平臺，搶占式多任務(wù)管理，系統(tǒng)功能完善，而且容易維護(hù)。利用S Q L Server2000管理數(shù)據(jù)很容易就能夠?qū)崿F(xiàn)C/S模式數(shù)據(jù)管理，使用該系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)的訪問進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計(jì)。

2、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺的主要功能

船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的建設(shè)功能主要是從以下三個(gè)方面體現(xiàn)出來：第一，在教學(xué)的過程中系統(tǒng)可以將整條船進(jìn)行虛擬的漫游，然后再交互設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對船舶設(shè)備的虛擬操作，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬，同時(shí)還可以對設(shè)備和機(jī)器進(jìn)行虛擬的拆卸和裝配，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求；第二，在科研方面，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行虛擬的設(shè)計(jì)、演示，在設(shè)備的使用前可以預(yù)演運(yùn)作的過程，如果運(yùn)行有問題，可以進(jìn)行及時(shí)的修改；第三，在生產(chǎn)應(yīng)用方面，可以提供船舶的設(shè)計(jì)、運(yùn)行等虛擬的環(huán)境，并對船舶設(shè)備的運(yùn)作進(jìn)行虛擬的演示，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的零投入。

總而言之，船舶工程虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺通過在不斷的研究下已經(jīng)形成了特定的體系，實(shí)現(xiàn)了對船舶設(shè)備的三維空間模擬操作，但是在它的開發(fā)和使用中還存在一些問題，比如在虛擬機(jī)的使用中互動(dòng)性差、連貫性不高，而且在軟件的使用上比較復(fù)雜，功能太多不容易操作，所以在實(shí)踐中要不斷的完善虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺，提高工作效率，讓用戶更加直觀的了解操作者的意圖。

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