基于Unity 3D的船舶壓縮空氣系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)

盧光松，甘輝兵，鄭恒持，史興晨

(大連海事大學(xué)，輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

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基于Unity 3D的船舶壓縮空氣系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)

盧光松，甘輝兵，鄭恒持，史興晨

(大連海事大學(xué)，輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

針對(duì)目前船舶空氣壓縮仿真訓(xùn)練系統(tǒng)大多采用半物理仿真與二維軟件界面仿真相結(jié)合方式訓(xùn)練效果不佳的問題，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到船舶壓縮空氣系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)一套基于Unity 3D的船舶壓縮空氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真程序和三維虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)交互，生成一個(gè)逼真的三維視覺、聽覺、觸覺的感官世界，加強(qiáng)培訓(xùn)人員的沉浸感，從而獲得一種置身于真實(shí)環(huán)境中的感受；系統(tǒng)可供學(xué)員無限制反復(fù)訓(xùn)練，節(jié)省系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用，規(guī)避實(shí)物操作設(shè)備中可能出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)，提高訓(xùn)練效果。

壓縮空氣系統(tǒng)；仿真；虛擬；交互

0 引言

目前船舶的空氣壓縮系統(tǒng)大多是采用半物理仿真與二維軟件界面仿真相結(jié)合的方式[1]。這種方式雖然對(duì)系統(tǒng)的主要操作物理平臺(tái)進(jìn)行真實(shí)還原，提高了學(xué)員培訓(xùn)的真實(shí)感，但由于傳統(tǒng)的空氣壓縮系統(tǒng)的絕大部分設(shè)備與管系是采用二維仿真界面來模擬的，存在的一些缺點(diǎn)。如無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示、人機(jī)交互性不夠友好，無法看到真實(shí)的系統(tǒng)設(shè)備等。為了規(guī)避二維仿真的不足，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于船舶壓縮空氣系統(tǒng)中。模型開發(fā)環(huán)境通過三維軟件建模，然后將完成的三維模型導(dǎo)入軟件虛擬引擎Unity 3D進(jìn)行系統(tǒng)合成和交互開發(fā)，最終形成虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。根據(jù)壓縮空氣系統(tǒng)的實(shí)際操作程序利用C#語言在Unity3D虛擬引擎平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)仿真程序與三維虛擬場(chǎng)景的交互，生成一個(gè)逼真的三維視覺、聽覺、觸覺的感官世界，加強(qiáng)培訓(xùn)人員的沉浸感，從而獲得一種置身于真實(shí)環(huán)境中的感受。

1 系統(tǒng)模塊化分層設(shè)計(jì)

壓縮空氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真軟件的主要功能是用于根據(jù)實(shí)船系統(tǒng)原理圖實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的操作、測(cè)試、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互顯示[2]。主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、界面顯示模塊、數(shù)據(jù)管理模塊四部分，其中數(shù)據(jù)管理模塊建立壓縮空氣系統(tǒng)的監(jiān)控信號(hào)和處理流程特性曲線，并進(jìn)行集中的存儲(chǔ)和管理，通過從數(shù)據(jù)采集模塊接收到壓縮空氣系統(tǒng)的狀態(tài)和控制信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析模塊處理后，在界面上顯示給用戶測(cè)試結(jié)果。

系統(tǒng)通過類設(shè)計(jì)器完成整個(gè)壓縮空氣系統(tǒng)模型類和邏輯類的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與程序?qū)崿F(xiàn)。利用模塊化設(shè)計(jì)思想將整個(gè)仿真系統(tǒng)的功能通過以下三層實(shí)現(xiàn)：

人機(jī)交互層：該層為用戶提供簡(jiǎn)單，方便，靈活，信息豐富，指導(dǎo)提示及時(shí)智能的操作界面。用戶可以通過點(diǎn)擊不同的控件實(shí)現(xiàn)與底層模型的交互操作。

業(yè)務(wù)邏輯層：該層根據(jù)系統(tǒng)操作和顯示交互的需要，利用GDI+圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)開發(fā)自定義控件庫及各個(gè)模型類庫，為軟件開發(fā)提供靈活、實(shí)用的接口。根據(jù)具體編程實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)操作、顯示等邏輯。

數(shù)學(xué)模型層：該層根據(jù)前面建立的各個(gè)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用編程語言封裝成一個(gè)類，留下必要的接口和參數(shù)，供系統(tǒng)中的設(shè)備調(diào)用和實(shí)例化，主要包括：空壓機(jī)模型，管路模型，空氣瓶模型，減壓閥組模型等。

2 可視化仿真界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件界面是人機(jī)交互界面，用戶通過在界面上操縱，實(shí)現(xiàn)與底層的業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)學(xué)模型層的交互，并最終在界面顯示。

壓縮空氣系統(tǒng)仿真界面中不僅可以對(duì)整個(gè)空氣壓縮系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，而且可以對(duì)一些交互點(diǎn)的操作，還可以比較詳細(xì)的看到整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。單擊左側(cè)各個(gè)空壓機(jī)的控制面板中的按鈕就可以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的啟停、切換等操作。通過對(duì)空氣壓力和流量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，可以讓值班人員了解各個(gè)設(shè)備使用空氣狀況，確保機(jī)艙設(shè)備安全運(yùn)行。

空氣分配系統(tǒng)仿真界面中主要包括了提供起動(dòng)空氣、控制空氣及機(jī)艙、甲板日用空氣的船舶設(shè)備。通過界面操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)設(shè)備用氣量的控制，以及空氣流量、壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。

3 壓縮空氣系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

三維模型是實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的基礎(chǔ)，虛擬場(chǎng)景能否產(chǎn)生良好的視覺效果和沉浸感與模型的精度直接相關(guān)。高精度模型用于虛擬場(chǎng)景必然會(huì)取得良好的效果，但這種做法勢(shì)必會(huì)大大增加建模時(shí)的工作量，并增加計(jì)算機(jī)負(fù)荷，影響場(chǎng)景加載速率和漫游實(shí)時(shí)性[3]。因此建模時(shí)應(yīng)當(dāng)平衡場(chǎng)景效果和建模精度，保證畫面真實(shí)感的同時(shí)又能保證計(jì)算機(jī)運(yùn)行流暢和實(shí)時(shí)渲染的效果。除了模型精度，可以運(yùn)用材質(zhì)、貼圖和一些立體渲染技巧來表現(xiàn)模型的表面，紋理和明暗效果，讓模型看起來更加真實(shí)。圖1船舶壓縮空氣系統(tǒng)場(chǎng)景建模流程簡(jiǎn)圖。

圖1 虛擬場(chǎng)景建模流程圖

3.1 場(chǎng)景制作

本系統(tǒng)艙室中主要包含設(shè)備、管路，設(shè)備又含有很多零部件，例如閥門、儀表、指示燈，按鈕等。在這里，采用圖2這種樹形結(jié)構(gòu)來描述場(chǎng)景中的模型層次結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建模型時(shí)，這種有條理有步驟性的建?？梢怨?jié)約不少的精力和時(shí)間。

圖2 虛擬機(jī)艙場(chǎng)景層次結(jié)構(gòu)

3.2 Unity 3D引擎著色器的實(shí)現(xiàn)

虛擬機(jī)艙環(huán)境的逼真度以及是否能使用戶產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的沉浸感，主要取決于虛擬環(huán)境的真實(shí)度[4]。影響真實(shí)度的因素除了三維模型的精細(xì)程度外，更重要還取決于模型的材質(zhì)以及著色器的設(shè)計(jì)是否合理。利用Unity3D引擎圖像處理的最新特性，使用Unity內(nèi)置著色器增加場(chǎng)景逼真度。如3圖為虛擬艙室中著色器的應(yīng)用。

圖3 使用不同shader的效果圖

3.3 碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)研究領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，碰撞檢測(cè)效果的優(yōu)劣將會(huì)直接三維場(chǎng)景的逼真程度，進(jìn)而影響用戶在三維場(chǎng)景的沉浸感[5]。為了體現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景中的真實(shí)感，三維虛擬場(chǎng)景同現(xiàn)實(shí)世界的場(chǎng)景一樣，不可穿透的物體是不能相互穿透的，這就需要對(duì)兩物體進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

常用于碰撞檢測(cè)的主要是包圍盒技術(shù)。包圍盒技術(shù)就是用盡可能簡(jiǎn)單的幾何形狀最緊密的包圍住虛擬空間中的復(fù)雜物體[6]。然后通過檢測(cè)包圍盒的交叉程度，來判斷是否進(jìn)行下一步物體之間的碰撞檢測(cè)。如果兩物體的包圍盒經(jīng)檢測(cè)后沒有交集產(chǎn)生，則說明兩物體不會(huì)發(fā)生碰撞，否則需要進(jìn)行物體之間的碰撞檢測(cè)。常用的包圍體有：AABB包圍盒、OBB包圍盒、k-Dops包圍盒、包圍球等。如圖4所示。

圖4 包圍盒類型

包圍球(Sphere)是一種常用的包圍體技術(shù)。從本質(zhì)上說，包圍球就是一個(gè)可以把物體包裹在內(nèi)部的最小的球體空間。它占據(jù)的三維空間R表達(dá)式：

(1)

其中，R為包圍球空間，r為包圍球空間的半徑。

實(shí)際計(jì)算中，如果要求計(jì)算結(jié)果不是非常精確而要求計(jì)算消耗資源比較少，計(jì)算速度比較快，也可以通過計(jì)算模型頂點(diǎn)坐標(biāo)的最大值和最小值來得到一個(gè)近似的包圍球，這就可以通過一種簡(jiǎn)單的方法來計(jì)算，利用計(jì)算物體模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)的最大值和最小值的和的一半來確定球心坐標(biāo)。設(shè)物體模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)的最大值和最小值分別是(xmax,ymax,zmax)和(xmin,ymin,ymin)，則包圍球球心坐標(biāo)(Cx,Cy,Cz)為：

(2)

同理可得Cy、Cz，包圍球半徑r為:

(3)

包圍球之間的碰撞檢測(cè)相對(duì)比較容易，對(duì)比球心距與半徑和的大小，如果球心距大，則不會(huì)發(fā)生碰撞，反之則發(fā)生碰撞。包圍球的優(yōu)點(diǎn)除了碰撞檢測(cè)方法簡(jiǎn)單之外，還有就是包圍球的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，且當(dāng)物體發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)候，只要不發(fā)生平移，包圍球不會(huì)受到影響，不需要進(jìn)行重對(duì)齊的計(jì)算，占用資源比較少。

因?yàn)槟Ｐ捅容^多，場(chǎng)景比較大，考慮到計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，所以本系統(tǒng)中用到的比較多的是原型碰撞器，例如，在機(jī)艙漫游中，攝像頭一直做平移或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，給它加的是膠囊型碰撞器，因?yàn)槟z囊型碰撞器在做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)不需要重構(gòu)，消耗資源少，可以保證良好的運(yùn)行速度。給設(shè)備、管路、墻體等添加盒子碰撞器，如圖5所示。

圖5 壓縮機(jī)添加碰撞器場(chǎng)景

3.4 三維拾取

機(jī)艙虛擬場(chǎng)景中，有許多閥、按鈕、車鐘等可以動(dòng)作的虛擬對(duì)象，稱之為交互點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)這種仿真，讓用戶有更好的體驗(yàn)，同時(shí)能和二維仿真軟件進(jìn)行交互，需要對(duì)這些虛擬元器件進(jìn)行拾取操作。

射線拾取算法也是虛擬場(chǎng)景中現(xiàn)行的最基本算法[7]。射線拾取算法基本原理：當(dāng)點(diǎn)擊鼠標(biāo)觸發(fā)屏幕某點(diǎn)時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)記錄鼠標(biāo)在屏幕中的坐標(biāo)值，并將此坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為視口坐標(biāo)，為視口坐標(biāo)添加深度值，再通過逆運(yùn)算得到該點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，最后建立一條以視點(diǎn)為起始點(diǎn)，以所得坐標(biāo)為第二點(diǎn)的射線，然后用該射線與世界坐標(biāo)系下的空間物體按深度逐個(gè)求交，若相交物體有且只有一個(gè)，則此物體就是所要拾取的物體，若有多個(gè)，則為深度最小的物體。

由原理可知，拾取算法主要有兩個(gè)關(guān)鍵步驟。關(guān)鍵步驟一：將屏幕上二維拾取點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為三維空間上的坐標(biāo)；關(guān)鍵步驟二：然后利用射拾取算法計(jì)算拾取物體，下面說明實(shí)現(xiàn)的具體算法。

(1)獲取屏幕上拾取點(diǎn)坐標(biāo)，并將其轉(zhuǎn)化為屏幕空間坐標(biāo)。設(shè)視口寬度為W，高度為H，鼠標(biāo)捕獲屏幕點(diǎn)的坐標(biāo)為O(x,y)，投影窗口坐標(biāo)為Pn=(Pnx,Pny,Pnz)，設(shè)視口左上角坐標(biāo)為0點(diǎn)即X=Y=0，視口矩陣為：

(4)

由投影窗口上點(diǎn)Pn利用視口變換得到屏幕上的點(diǎn)O坐標(biāo)為：

(5)

(6)

求逆變換：

(7)

(8)

Z軸上的值為深度值，僅影響Pn在射線上的位置，取值范圍[0,1]，當(dāng)z=0時(shí)，表示Pn點(diǎn)位于近裁剪面上；當(dāng)z=1時(shí)，表示Pn點(diǎn)位于遠(yuǎn)裁剪面上。

(2)計(jì)算投影矩陣和視點(diǎn)矩陣相乘之后的轉(zhuǎn)置逆矩陣，轉(zhuǎn)換Pn坐標(biāo)至世界坐標(biāo)系中。

此時(shí)，可以由下式計(jì)算Pn點(diǎn)在世界空間中的坐標(biāo)Pw：

式中，Mp為投影變換矩陣，Mv為視點(diǎn)變換矩陣，Mw為世界變換矩陣。

(3)以視點(diǎn)Pc和點(diǎn)Pw確定射線方程：

(9)

(4)判斷射線與物體是否相交。

為簡(jiǎn)化說明，此處物體選用包圍球處理。設(shè)包圍球球心坐標(biāo)為c，半徑為r，則可由式(11)判定相交情況：

(10)

(11)

若此方程有正解，則表明射線與包圍球相交，即拾取了該物體。

3.5 虛擬漫游的實(shí)現(xiàn)

在unity3D中實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景漫游可以通過添加第一人稱組件來實(shí)現(xiàn)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要添加燈光、輔攝像機(jī)等到第一人稱組件[8]。鼠標(biāo)的移動(dòng)可以控制主攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)，由類實(shí)現(xiàn)，若旋轉(zhuǎn)軸為軸，則鼠標(biāo)的左右移動(dòng)可帶動(dòng)攝像機(jī)的左右旋轉(zhuǎn)，若旋轉(zhuǎn)軸為軸，則鼠標(biāo)的上下移動(dòng)可帶動(dòng)攝像機(jī)的上下旋轉(zhuǎn)。類還提供了攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)的靈敏度及最大旋轉(zhuǎn)角度的參數(shù)設(shè)置，用戶可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)置。

3.6 粒子系統(tǒng)模擬火災(zāi)

船舶火災(zāi)是火災(zāi)中的一種，它屬于船舶海難中較為常見且危害性較大的一種事故，船舶火災(zāi)會(huì)對(duì)船舶、人員、貨物、環(huán)境造成不可估計(jì)的危害。這是因?yàn)榇皟?nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分艙多、貨物密集不利于進(jìn)行火災(zāi)的撲救；船舶在航行時(shí)遠(yuǎn)離陸地外援難以及時(shí)趕到，以船舶上的人員與設(shè)備其救災(zāi)能力是有限的。因此對(duì)船舶人員進(jìn)行有關(guān)火災(zāi)的培訓(xùn)是很必要的，在空壓機(jī)間引入了對(duì)機(jī)艙火災(zāi)的模擬，以使船舶人員對(duì)船舶火災(zāi)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。實(shí)現(xiàn)了一種基于GPU的粒子系統(tǒng)用來模擬船舶機(jī)艙火災(zāi)、煙霧效果。

4 仿真軟件和三維場(chǎng)景交互

虛擬場(chǎng)景可以為用戶提供視覺、聽覺、觸覺和嗅覺上接近真實(shí)環(huán)境的感受[9]。為了加強(qiáng)學(xué)員的沉浸感和真實(shí)感，在使用仿真軟件進(jìn)行模擬訓(xùn)練時(shí)有一種身臨其境的感覺，將三維虛擬場(chǎng)景與可視化仿真軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。這樣學(xué)員在可視化仿真軟件進(jìn)行操作時(shí)，三維虛擬場(chǎng)景中的實(shí)景情況可以達(dá)到同步的效果。同樣，在三維虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行的操作也可以在可視化仿真軟件中同步得到實(shí)現(xiàn)。

采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式，可視化仿真軟件中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)類通過序列化轉(zhuǎn)化為數(shù)組形式，每經(jīng)過0.2 s的時(shí)間向三維虛擬場(chǎng)景端進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送；而三維虛擬場(chǎng)景端向可視化仿真軟件端發(fā)送數(shù)據(jù)則采用有數(shù)據(jù)改變才發(fā)送，否則不發(fā)送的交互機(jī)制。

5 結(jié)論

本文開發(fā)的基于Unity 3D的船舶壓縮空氣系統(tǒng)解決了常規(guī)二維壓縮空氣系統(tǒng)仿真的訓(xùn)練效果不佳等問題,系統(tǒng)具有良好實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到船舶壓縮空氣系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真程序和三維虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)交互，滿足當(dāng)今船員培訓(xùn)與考核的要求。學(xué)員在逼真的虛擬機(jī)艙環(huán)境中進(jìn)行漫游，熟悉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。節(jié)省培訓(xùn)中的場(chǎng)地、設(shè)備、經(jīng)費(fèi)等其它資源。另外，可以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到整個(gè)船舶相關(guān)的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)無限制反復(fù)訓(xùn)練，節(jié)省船舶相關(guān)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用，規(guī)避實(shí)物操作設(shè)備中可能出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)，提高船員培訓(xùn)的訓(xùn)練效果。

[1] 張可超.船舶壓縮空氣系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)與研究[D].大連：大連海事大學(xué),2014.

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Virtual Reality Design Of Compressed Air System Based On 3D Unity

Lu Guangsong, Gan Huibing, Zheng Hengchi, Shi Xingchen

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Aiming at the poor training effect problem of ship's air compression training systems are mostly semi-physics simulation software interface with two-dimensional simulation combination be used. Virtual reality technology be used into the compressed air system of ship. Designing compressed air system based on 3D unity, to achieve real-time interactive virtual simulation programs and three-dimensional virtual scene. It can generate a realistic three-dimensional visual, auditory, tactile sensory world, to strengthen the sense of immersion training of personnel, so as to obtain an exposure to the real-world experience. Can be achieved without restrictions on repeated training, saving the entire system maintenance costs, to avoid possible risks in the operation of real equipment, can greatly improve the effectiveness of training.

compressed air system； simulation；virtual；interaction

2016-07-14；

2016-08-08。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(3132016015);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(3132016316)。

盧光松(1990-)，男,貴州人，碩士研究生，主要從事輪機(jī)自動(dòng)化與智能化、輪機(jī)控制與仿真方向的研究。

甘輝兵(1981-)，男，湖北人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事輪機(jī)自動(dòng)化與智能化、輪機(jī)控制與仿真方向的研究。

1671-4598(2016)09-0267-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.075

U664.8

A