基于Quest 3D 的LNG 船虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)

上海海事大學(xué)商船學(xué)院 李志球 胡以懷 欒泳立

據(jù)2013年中國海洋工程服務(wù)及油氣儲運技術(shù)發(fā)展論壇預(yù)測，為滿足進(jìn)口LNG 海運需求，2020年后，我國LNG運輸所需船隊規(guī)模將擴大到60～100 艘，這將大大增加我國LNG 船員的需求量。而目前我國LNG 船員大多被派往國外接受培訓(xùn)，培訓(xùn)時間長、成本高。因此，如何在短時間培養(yǎng)出擁有過硬專業(yè)素質(zhì)的LNG 船員，是影響中國LNG航運事業(yè)又好又快發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。

實踐證明，讓船員到實船學(xué)習(xí)是培養(yǎng)LNG 船員最好的途徑，但由于培訓(xùn)人數(shù)多、實船有定員、船期以及安全等多方面因素的限制，能夠上實船學(xué)習(xí)的人非常有限。大部分學(xué)員在傳統(tǒng)方式學(xué)習(xí)的過程中不能形成對LNG 船舶整體構(gòu)造的清晰認(rèn)識。LNG 船舶模擬器的使用可以提高船員培訓(xùn)效果，使船員熟悉工作原理、設(shè)備和操作程序，增加他們的經(jīng)驗和自信心，為以后在實船工作打下堅實的基礎(chǔ)[1]。

以Quest 3D 為虛擬引擎的虛擬現(xiàn)實技術(shù)可用于LNG船舶模擬器的開發(fā)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有多感知、沉浸感、交互性等優(yōu)越特征，能使學(xué)員有著聽覺、視覺、觸覺等多種體驗，達(dá)到身臨其境的效果，同時交互性以及協(xié)同操作等功能可使船員對LNG 船舶操作有著更進(jìn)一步的認(rèn)識和了解。LNG 船舶虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)過程并不復(fù)雜，并且可以隨設(shè)備的發(fā)展而更新，這樣可大大減少教學(xué)和評估的成本[2]。

一、LNG 船虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)流程及總體功能設(shè)計

目前，虛擬現(xiàn)實軟件有很多，主要包括Virtools、VR-Platform、Vega、Quest 3D 等，不同的軟件應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。由于Quest 3D 具有成熟的DirectX 引擎，比其他虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件具有更好的圖形渲染效果，并且在實現(xiàn)交互的編程方面提供了信道（channel）這一人性化的方式，容易上手操作，因此，選擇Quest 3D 作為LNG虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)平臺[3]。

(一)LNG船虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)流程

LNG船舶虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)過程主要包括四個階段，其具體開發(fā)流程如圖1 所示：

圖1 開發(fā)流程圖

1.前期準(zhǔn)備階段：在進(jìn)行開發(fā)之前，基于STCW 公約以及我國主管機關(guān)規(guī)定的關(guān)于LNG 船舶模擬器相關(guān)規(guī)定制定產(chǎn)品方案。同時，對實船進(jìn)行素材采集、分析對象外觀特征以及確定對象動作真實順序。

2.建模階段：根據(jù)產(chǎn)品方案，利用3D MAX 完成三維建模和虛擬場景的構(gòu)造。在建模的過程中，既要滿足視覺要求即真實感，又要適當(dāng)減少模型的紋理精度、細(xì)節(jié)來保證系統(tǒng)的運行效率。

3.Quest 3D 平臺開發(fā)階段：將模型導(dǎo)入到Quest 3D中，利用該軟件DirectX 引擎編程優(yōu)化，最終實現(xiàn)內(nèi)部動作以及和外界的交互功能。

4.產(chǎn)品的發(fā)布階段：將編好的程序發(fā)布成需要的類型，并檢驗是否符合海事培訓(xùn)要求。

(二)系統(tǒng)總體功能設(shè)計

LNG 船虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)包括船舶漫游、船舶設(shè)備虛擬拆裝、協(xié)同操作三方面內(nèi)容。如圖2 所示，系統(tǒng)主要功能如下：速度（Speed）、重力（Gravity Value）、相機碰撞尺寸（In: Collision Spheroid Radius）等等。漫游時，由于相機的視角會隨著鼠標(biāo)的光標(biāo)轉(zhuǎn)動，若想以固定視角觀察時則很不方便，此時可以通過更改Rotation Vector 下的設(shè)置實現(xiàn)固定視角，在Mouse dX/dY 模塊上添加一個Channel Switch，再添加一個可以控制Value 值的命令。通過改變Value 值，實現(xiàn)相機視角轉(zhuǎn)動和固定之間的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)漫游如圖3 所示：

圖2 系統(tǒng)總體功能圖

LNG 船舶漫游功能：該功能能夠讓船員自由行走在虛擬船舶的任何位置，同時沉浸式虛擬現(xiàn)實設(shè)備（比如三維立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套）的使用也讓船員達(dá)到身臨其境的效果，這些功能促使船員更快熟悉LNG 船管道分布走向、設(shè)備的布置以及相關(guān)專業(yè)操作。

船舶設(shè)備虛擬拆裝功能：該部分嚴(yán)格按照拆裝大綱要求進(jìn)行設(shè)置，使拆裝過程達(dá)到規(guī)范。在選擇虛擬設(shè)備拆裝后，系統(tǒng)會自動進(jìn)入拆裝界面。該部分包含拆裝視頻演示、拆裝練習(xí)和拆裝評估考試等內(nèi)容。如圖3 所示，操作者可以根據(jù)需要選擇不同的功能，同時數(shù)據(jù)庫的連接可以對每一次練習(xí)和評估的成績進(jìn)行記錄保存，通過查看功能可以查看操作步驟，包括正確和錯誤的操作。

協(xié)同操作功能：系統(tǒng)不僅可以單機使用，也可利用服務(wù)器實現(xiàn)多人在線，進(jìn)行船舶不同崗位的角色選擇，通過創(chuàng)建LNG 船舶不同情境來實現(xiàn)對LNG 貨物操作、應(yīng)急設(shè)備操作、消防演習(xí)以及機械故障的處理等多項主要船舶操作的練習(xí)和考核。培訓(xùn)人員可以直觀地體驗由于自己的操作所造成的結(jié)果或引發(fā)的事故現(xiàn)象,真實感相較傳統(tǒng)訓(xùn)練得到了極大的增強。

二、系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵問題

(一)場景漫游

場景的漫游主要是利用漫游相機實現(xiàn)的?？梢赃x擇1 person walkthrough camera（第一人稱漫游相機）或者3 person walkthrough camera（第三人稱漫游相機）。在具有角色選擇時一般選擇第三人稱行走相機。漫游相機參數(shù)的設(shè)定是影響漫游效果的最主要的因素，因此，為了使漫游達(dá)到最舒服的狀態(tài)，應(yīng)注意調(diào)節(jié)一些漫游的參數(shù)，如

圖3 系統(tǒng)漫游圖

(二)虛擬拆裝

1.碰撞檢測

碰撞檢測是系統(tǒng)中不可缺少的部分。要對進(jìn)行場景漫游的相機設(shè)置碰撞，防止相機穿過設(shè)備。在船舶設(shè)備虛擬拆裝部分，由于設(shè)備每個零件都是獨立又相互關(guān)聯(lián)的，當(dāng)進(jìn)行虛擬拆裝時，受訓(xùn)者可以通過鼠標(biāo)選取某一個零件，并按照自己的意圖進(jìn)行任意移動，在此過程中，每個零件都可能與場景中其他部分發(fā)生碰撞，當(dāng)發(fā)生碰撞時，選取的零件應(yīng)該另外選擇其他路徑離開，而不是發(fā)生穿透現(xiàn)象。因此，每個零件的拆裝過程都需要考慮碰撞檢測功能，使虛擬拆裝過程更加逼真。

層次包圍盒方法是碰撞檢測中最常用的方法，主要包括球形包圍盒檢測法(Spheres)、坐標(biāo)軸的軸向包圍盒 AABB(Axis-Aligned Bounding Boxes)檢 測 法、 帶方向的包圍盒OBB(Oriented Bounding Box)檢測法、散方向多面體(K—DOP)檢測法、固定方向凸包FDH(Flxed Directions Hulls)檢測法等等。由于OBB 包圍盒具有方向任意，能根據(jù)幾何對象的形狀特點緊密地包圍幾何對象，從而成倍地減少包圍盒及基本幾何元素間的相交測試，大大提高了算法的效率。因此，本系統(tǒng)采用該碰撞檢測算法[4]。

2.拆裝邏輯實現(xiàn)

船舶設(shè)備拆裝過程需要根據(jù)規(guī)范按照一定順序進(jìn)行。在Quest 3D 中，編程進(jìn)行觸發(fā)條件的設(shè)定，可使拆裝過程嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行。在Quest 3D 中ChannelSwitch 模塊和有限狀態(tài)機（FiniteStateMachine）都可以用來實現(xiàn)程序的步驟化。ChannelSwitch 模塊適用于拆裝步驟比較少的情況，當(dāng)步驟比較復(fù)雜時，該模塊容易造成編程混亂，并且在后續(xù)程序更新、改進(jìn)過程中不易把握。有限狀態(tài)機是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學(xué)模型，由于它能輕松實現(xiàn)復(fù)雜拆裝過程的編程、新步驟的添加以及后期程序升級，因此，本系統(tǒng)的拆裝過程均采用有限狀態(tài)機，可以大大提高開發(fā)速度和質(zhì)量。有限狀態(tài)機共有三類子連接，連接到第一個子連接的Value被檢查以觸發(fā)狀態(tài)改變；第二個子連接代表實際的狀態(tài)，只有當(dāng)前狀態(tài)被調(diào)用；第三個子連接可以在特定狀態(tài)改變時被觸發(fā)。同時，編輯界面上還有延時功能。編輯完成的編程場景如圖4 所示：

圖4 拆裝場景

3.數(shù)據(jù)庫連接

為了實現(xiàn)系統(tǒng)中操作步驟、成績、幫助等信息的保存和查詢，需要連接外部數(shù)據(jù)庫。在Quest 3D 中可通過MySQL 或ODBC 兩種方式創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接，MySQL 對應(yīng)的是DB Driver MySQL 模塊，而ODBC 對應(yīng)的是DBDriver ODBC，里面封裝了各自的數(shù)據(jù)庫連接協(xié)議。兩個模塊都要連接到DB Source 信道上起作用。在利用DB Query、DBValue 和DB Text 等相關(guān)通道編輯好邏輯后，就可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查詢讀取和存儲[5]。

(三)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

多人協(xié)同操作功能是基于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布而實現(xiàn)的。只有Quest 3D 企業(yè)版或者VR 專業(yè)版才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)多人在線協(xié)同操作以及船舶各部門虛擬操練等功能。在Quest 3D 中，主要利用Network Matrix、Network Text 、Network Value 和Network Buffer 幾個模塊來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能。它們依次控制了網(wǎng)絡(luò)矩陣、網(wǎng)絡(luò)文本、網(wǎng)絡(luò)值和網(wǎng)絡(luò)緩沖信息。這些模塊主要控制網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸，以確保數(shù)據(jù)正確地在客戶端(clinets)與服務(wù)器(server)之間傳送。服務(wù)器選用一臺專業(yè)圖形工作站作為服務(wù)器，上面存放LNG船舶虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)所有的程序以及數(shù)據(jù)。服務(wù)器可以為其他客戶機提供資源，客戶機不需要安裝Quest 3D 程序，可在登錄服務(wù)器后從服務(wù)器下載虛擬場景。每一個場景中都有不同的學(xué)員進(jìn)行在線協(xié)同操作，并且實時反饋場景中的狀態(tài)到服務(wù)器以完成場景的同步，并最終實現(xiàn)場景的共同控制。

三、結(jié)語

利用LNG 船虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)對船員和相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)，可大大提高船員培訓(xùn)效率；同時該系統(tǒng)具有重復(fù)利用性，能減少船員培訓(xùn)成本。系統(tǒng)中的場景漫游、虛擬拆裝以及協(xié)同操作等功能不僅讓學(xué)員對LNG 船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位的了解，更讓學(xué)員對設(shè)備維護(hù)、修理以及故障排除等技能有了全新的認(rèn)識。同時，對LNG 船舶貨物操作、貨倉管路的惰化干燥、再液化等特殊操作進(jìn)行進(jìn)一步的熟悉和練習(xí)，實現(xiàn)對LNG 船舶操縱做到融會貫通，為今后在LNG 船工作打下堅實的基礎(chǔ)。

[1]王祎博,王建平.LNG船舶市場前景與我國LNG船員培養(yǎng)模式分析[J].中國水運,2011,11(11)：23-26.

[2]劉向群,吳彬.虛擬現(xiàn)實案例教程[M].北京:中國鐵道出版社,2012:5-8.

[3]王麗麗,趙曉春,任澤飛等.基于Quest3D的虛擬園林漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2009,25(2):180-183.

[4]王偉,馬俊.基于OBB包圍盒的碰撞檢測研究與應(yīng)用[J].計算機仿真,2009,26(9):46-50.

[5]路朝龍.Quest3D從入門到精通[M].北京:中國鐵道出版社,2012:203-228.