船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

王五桂

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船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

王五桂

（中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064）

根據(jù)船舶操縱模擬器功能實現(xiàn)的實際需要，本文提出一種7通道270°寬視場角環(huán)幕投影構(gòu)架方案。基于視景仿真系統(tǒng)的建設(shè)目標，完成了硬件構(gòu)架和軟件構(gòu)建的設(shè)計。并通過船舶操縱模擬器試驗室空間的實際大小，完成構(gòu)架方案的空間布局設(shè)計，并對布局設(shè)計進行光路效果分析。結(jié)果表明，所提出的視景系統(tǒng)構(gòu)架方案能夠滿足船舶操縱模擬器真實沉浸感的要求。

船舶操縱模擬器 視景仿真 架構(gòu)

0 引言

船舶操縱模擬器在仿真、功能和應用方面具有極其重要的作用和社會效益[1][2]。其核實是建立準確的船舶運動數(shù)學模型[3]和依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)[4][5]建立視覺上逼真和高沉浸感的視景仿真系統(tǒng)。視景仿真系統(tǒng)能夠模擬船舶航行的航行姿態(tài)和虛擬場景，一方面，使得能夠在試驗室條件下對船舶運動控制性能進行有效評估及檢驗，減少實船試驗次數(shù)，降低成本，縮短開發(fā)周期，優(yōu)化控制系統(tǒng)等目的，另一方面，也是對船舶操縱人員進行實際操作能力培訓的一種有效的途徑。

視景仿真系統(tǒng)是以航行操縱模擬器輸出的數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用視景仿真技術(shù)等手段，通過三維視景仿真方法直觀、逼真地呈現(xiàn)船舶操縱中的各種操作和業(yè)務(wù)流程，并利用三維建模方法將本船、實際場景、海面自然環(huán)境等元素可視化呈現(xiàn)。通過三維環(huán)境中對模型對象的操作展現(xiàn)船舶的航行狀態(tài)，能夠為船舶操縱控制性能研究和船舶操縱控制系統(tǒng)設(shè)計與論證提供更加直觀、更加豐富的參考依據(jù)。

1 視景仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及建設(shè)目標

視景仿真系統(tǒng)主要由顯示系統(tǒng)、視景仿真渲染集群、管理終端、仿真模型數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等部分組成，船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過仿真服務(wù)器系統(tǒng)路由器連接到船舶操縱模擬器中，模擬器向仿真服務(wù)器提供船舶運動各種信號，并在顯示系統(tǒng)中實時反應。

視景仿真系統(tǒng)主要建設(shè)目標如下：

1）顯示系統(tǒng)能夠提供大尺寸、高分辨率顯示畫面，能夠模擬真實操作環(huán)境，具有高真實感、高沉浸感，在船舶操縱模擬器中能夠得到較真實的操縱體驗[6]。

2）顯示系統(tǒng)要求優(yōu)先采用弧形幕或者具有更高真實感的顯示系統(tǒng)方案，顯示系統(tǒng)畫面應無明顯接縫、顯示范圍應覆蓋全部視覺可觀察范圍。

3）建立多種仿真模型數(shù)據(jù)庫，包括本船、副本船及其他參照船舶模型。

4）構(gòu)建三維虛擬現(xiàn)實場景，包括：港口，機動航行，窄水域?qū)Ш?、系泊、錨定、靠泊，海上補給，導航等，模擬展現(xiàn)船舶在多種海況下多工況下作業(yè)過程。

5）建立相應的模擬環(huán)境和氣候條件，如逼真模擬白天、黃昏、夜晚，雨、雪、可穿透及不可穿透的大霧等，使得視景仿真系統(tǒng)環(huán)境模擬可滿足各種氣候條件的船舶操縱與航行[7]。

2 視景仿真系統(tǒng)硬件構(gòu)架設(shè)計

根據(jù)對船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)和功能要求，系統(tǒng)的硬件部分主要由投影顯示分系統(tǒng)、圖形生成分系統(tǒng)、中央控制分系統(tǒng)、音響分系統(tǒng)和配套保障分系統(tǒng)組成，如圖2所示。

視景仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要通過各種信號電纜互連起來構(gòu)成整個系統(tǒng)的物理運行平臺。投影顯示分系統(tǒng)負責接收和處理圖形生成分系統(tǒng)各個仿真工作站實時生成的圖像進行仿真畫面拼接、畫面融合處理，并顯示出來供參試、評估人員觀看；圖形生成分系統(tǒng)負責為三維視景軟件提供運行硬件平臺，中央控制分系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的支撐性分系統(tǒng)，主要負責整個系統(tǒng)各個主要設(shè)備的控制管理（投影機控制、工作站控制等）、大廳環(huán)境控制管理（設(shè)備電源、燈光控制管理）；音響擴聲分系統(tǒng)負責整個系統(tǒng)的語言發(fā)言擴聲、仿真擴聲等，為參試人員提供聲音洪亮、音質(zhì)飽滿的仿真音響擴聲效果，配套保障分系統(tǒng)負責為整個系統(tǒng)的運行提供電力保障、安全防范保障和運行保障等。視景仿真系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 視景仿真系統(tǒng)軟件構(gòu)架設(shè)計

船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)軟件主要包含三個部分，如圖4所示：

虛擬現(xiàn)實仿真開發(fā)平臺分系統(tǒng)是船舶操縱模擬器仿真可視化系統(tǒng)的支撐系統(tǒng)，主要由三維虛擬現(xiàn)實引擎、專用視景效果引擎、模型編輯軟件、可視化應用程序框架等組成，為整個軟件系統(tǒng)提供三維可視化呈現(xiàn)、效果表現(xiàn)功能，以及提供軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)框架，支撐分布式可視化仿真、數(shù)據(jù)處理、同步控制等基礎(chǔ)支撐功能。

視景仿真可視化分系統(tǒng)利用三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)高精度、高逼真度、高分辨率的船舶運動仿真視景，為船舶運動仿真提供高質(zhì)量的呈現(xiàn)手段。能夠支撐目前船舶操縱模擬器仿真應用，并能具有可擴展性，能夠支撐將來其它試驗和仿真的可視化表現(xiàn)。

三維模型資源及數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)利用三維建模軟件建立模擬器中的仿真船舶，仿真場景和模擬環(huán)境等，根據(jù)仿真工況供視景仿真系統(tǒng)調(diào)用，圖5為視景仿真系統(tǒng)的效果。

4 視景仿真系統(tǒng)光路設(shè)計

根據(jù)船舶操縱模擬器試驗室空間的實際大小，將投影顯示屏設(shè)計成一個270°具有高度沉浸感的大型屏幕，屏幕半徑7米，高3.15米的7通道特制正投金屬屏幕，便于仿真環(huán)境顯示。系統(tǒng)用7臺高亮度、高分辨率投影機采用正投方式將多路計算機信號以多功能需要按不同的方式顯示出來。根據(jù)船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)布局，并根據(jù)所選擇的視景仿真系統(tǒng)硬件設(shè)備的性能指標，可得到光路設(shè)計示意圖。

5 結(jié)語

船舶操縱模擬器中視景仿真系統(tǒng)的目的就是將船舶運動仿真的結(jié)果以虛擬現(xiàn)實的方式形象、逼真地再現(xiàn)出來，讓操縱人員能以最直觀的方式感受到船舶在海浪中是真實運動情況。根據(jù)這一實際需求出發(fā)，本文提出了一種視景仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案，根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標，完成系統(tǒng)硬件構(gòu)建和軟件構(gòu)架的設(shè)計，并通過對所設(shè)計的視景仿真系統(tǒng)進行光路分析，證明所設(shè)計的視景仿真系統(tǒng)構(gòu)建能夠滿足船舶操縱模擬器的實際需求，為進一步開發(fā)船舶操縱模擬器奠定了基礎(chǔ)。

[1] 屠海洋, 袁章新. 船舶操縱模擬中視景仿真的研究[J]. 中國航海, 2009, 32 (1): 106-110.

[2] 黃會營, 段曉明. 船舶運動視景仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機仿真, 2012, 29 (1): 369-373.

[3] 張秀鳳．航海模擬器中六自由度船舶運動數(shù)學模型[D] .大連: 大連海事大學, 2009.

[4] 肖劍波,胡大斌,高偉. 基于Vega的潛望鏡視景系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 中國艦船研究, 2008，3(3):63-66.

[5] 高偉, 巫影, 肖劍波. 基于Vega的虛擬海洋視景仿真研究[J]. 中國艦船研究, 2008，3(6):54-60.

[6] Ashdown M, Flagg M, Sukthanker R, et al. A flexible project or camera system for multi-planar displays[C]. Proceeding of Computer Vision and Pattern Recognition. Los Alamitos: IEEE Computer Society Press, 2004:165-172.

[7] 熊振南，周世波．船舶航行環(huán)境可視化仿真[J]．上海海事大學學報,2009, 30 (1): 6-9.

Architecture Design of Scene Simulation System for Ship’s Handling Simulator

Wang Wugui

（China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China）

To meet the function requirements of ship’s handling simulator, a seven channel and 270°cylindrical scene simulation system architecture is developed in this paper. Based on the aim of scene simulation system, the hardware architecture design and software architecture design are presented. Then the space distribution is designed for ship’s handling simulator laboratory，and the light path is analyzed for the space distribution. The architecture of scene simulation system can better fit in with the need of ship’s handling simulator.

ship’s handling simulator; scene simulation; architecture design

U675

A

1003-4862（2016）03-0060-03

2015-11-23

王五桂（1985-），男，工程師。專業(yè)方向：船舶航行操縱控制技