基于Unity 3D的船舶壓縮空氣系統(tǒng)的虛擬設計

盧光松，甘輝兵，鄭恒持，史興晨

(大連海事大學，輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

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基于Unity 3D的船舶壓縮空氣系統(tǒng)的虛擬設計

盧光松，甘輝兵，鄭恒持，史興晨

(大連海事大學，輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

針對目前船舶空氣壓縮仿真訓練系統(tǒng)大多采用半物理仿真與二維軟件界面仿真相結(jié)合方式訓練效果不佳的問題，將虛擬現(xiàn)實技術引入到船舶壓縮空氣系統(tǒng)的仿真設計；設計一套基于Unity 3D的船舶壓縮空氣系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬仿真程序和三維虛擬場景的實時交互，生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺的感官世界，加強培訓人員的沉浸感，從而獲得一種置身于真實環(huán)境中的感受；系統(tǒng)可供學員無限制反復訓練，節(jié)省系統(tǒng)的維護費用，規(guī)避實物操作設備中可能出現(xiàn)的各種風險，提高訓練效果。

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]。這種方式雖然對系統(tǒng)的主要操作物理平臺進行真實還原，提高了學員培訓的真實感，但由于傳統(tǒng)的空氣壓縮系統(tǒng)的絕大部分設備與管系是采用二維仿真界面來模擬的，存在的一些缺點。如無法進行動態(tài)展示、人機交互性不夠友好，無法看到真實的系統(tǒng)設備等。為了規(guī)避二維仿真的不足，將虛擬現(xiàn)實技術應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入軟件虛擬引擎Unity 3D進行系統(tǒng)合成和交互開發(fā)，最終形成虛擬現(xiàn)實環(huán)境。根據(jù)壓縮空氣系統(tǒng)的實際操作程序利用C#語言在Unity3D虛擬引擎平臺下實現(xiàn)仿真程序與三維虛擬場景的交互，生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺的感官世界，加強培訓人員的沉浸感，從而獲得一種置身于真實環(huán)境中的感受。

1 系統(tǒng)模塊化分層設計

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)實船系統(tǒng)原理圖實現(xiàn)對壓縮空氣系統(tǒng)中各個設備的操作、測試、數(shù)據(jù)實時交互顯示[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)控信號和處理流程特性曲線，并進行集中的存儲和管理，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試結(jié)果。

系統(tǒng)通過類設計器完成整個壓縮空氣系統(tǒng)模型類和邏輯類的結(jié)構設計與程序?qū)崿F(xiàn)。利用模塊化設計思想將整個仿真系統(tǒng)的功能通過以下三層實現(xiàn)：

人機交互層：該層為用戶提供簡單，方便，靈活，信息豐富，指導提示及時智能的操作界面。用戶可以通過點擊不同的控件實現(xiàn)與底層模型的交互操作。

業(yè)務邏輯層：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、計算機編程技術開發(fā)自定義控件庫及各個模型類庫，為軟件開發(fā)提供靈活、實用的接口。根據(jù)具體編程實現(xiàn)各種系統(tǒng)操作、顯示等邏輯。

數(shù)學模型層：該層根據(jù)前面建立的各個設備的數(shù)學模型，運用編程語言封裝成一個類，留下必要的接口和參數(shù)，供系統(tǒng)中的設備調(diào)用和實例化，主要包括：空壓機模型，管路模型，空氣瓶模型，減壓閥組模型等。

2 可視化仿真界面設計

系統(tǒng)的軟件界面是人機交互界面，用戶通過在界面上操縱，實現(xiàn)與底層的業(yè)務邏輯層和數(shù)學模型層的交互，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整個空氣壓縮系統(tǒng)的各個參數(shù)進行實時顯示，而且可以對一些交互點的操作，還可以比較詳細的看到整個系統(tǒng)的動態(tài)運行狀態(tài)。單擊左側(cè)各個空壓機的控制面板中的按鈕就可以實現(xiàn)空壓機的啟停、切換等操作。通過對空氣壓力和流量的實時動態(tài)顯示，可以讓值班人員了解各個設備使用空氣狀況，確保機艙設備安全運行。

空氣分配系統(tǒng)仿真界面中主要包括了提供起動空氣、控制空氣及機艙、甲板日用空氣的船舶設備。通過界面操作，實現(xiàn)對各個設備用氣量的控制，以及空氣流量、壓力等參數(shù)的實時顯示。

3 壓縮空氣系統(tǒng)虛擬場景的開發(fā)與實現(xiàn)

三維模型是實現(xiàn)虛擬環(huán)境的基礎，虛擬場景能否產(chǎn)生良好的視覺效果和沉浸感與模型的精度直接相關。高精度模型用于虛擬場景必然會取得良好的效果，但這種做法勢必會大大增加建模時的工作量，并增加計算機負荷，影響場景加載速率和漫游實時性[3]。因此建模時應當平衡場景效果和建模精度，保證畫面真實感的同時又能保證計算機運行流暢和實時渲染的效果。除了模型精度，可以運用材質(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。圖1船舶壓縮空氣系統(tǒng)場景建模流程簡圖。

圖1 虛擬場景建模流程圖

3.1 場景制作

本系統(tǒng)艙室中主要包含設備、管路，設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)構來描述場景中的模型層次結(jié)構。在構建模型時，這種有條理有步驟性的建?？梢怨?jié)約不少的精力和時間。

圖2 虛擬機艙場景層次結(jié)構

3.2 Unity 3D引擎著色器的實現(xiàn)

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

圖3 使用不同shader的效果圖

3.3 碰撞檢測

碰撞檢測技術是虛擬現(xiàn)實研究領域的核心技術之一，碰撞檢測效果的優(yōu)劣將會直接三維場景的逼真程度，進而影響用戶在三維場景的沉浸感[5]。為了體現(xiàn)三維虛擬場景中的真實感，三維虛擬場景同現(xiàn)實世界的場景一樣，不可穿透的物體是不能相互穿透的，這就需要對兩物體進行碰撞檢測。

常用于碰撞檢測的主要是包圍盒技術。包圍盒技術就是用盡可能簡單的幾何形狀最緊密的包圍住虛擬空間中的復雜物體[6]。然后通過檢測包圍盒的交叉程度，來判斷是否進行下一步物體之間的碰撞檢測。如果兩物體的包圍盒經(jīng)檢測后沒有交集產(chǎn)生，則說明兩物體不會發(fā)生碰撞，否則需要進行物體之間的碰撞檢測。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。從本質(zhì)上說，包圍球就是一個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表達式：

(1)

其中，R為包圍球空間，r為包圍球空間的半徑。

實際計算中，如果要求計算結(jié)果不是非常精確而要求計算消耗資源比較少，計算速度比較快，也可以通過計算模型頂點坐標的最大值和最小值來得到一個近似的包圍球，這就可以通過一種簡單的方法來計算，利用計算物體模型的頂點坐標的最大值和最小值的和的一半來確定球心坐標。設物體模型的頂點坐標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(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相對比較容易，對比球心距與半徑和的大小，如果球心距大，則不會發(fā)生碰撞，反之則發(fā)生碰撞。包圍球的優(yōu)點除了碰撞檢測方法簡單之外，還有就是包圍球的構造比較簡單，且當物體發(fā)生旋轉(zhuǎn)時候，只要不發(fā)生平移，包圍球不會受到影響，不需要進行重對齊的計算，占用資源比較少。

因為模型比較多，場景比較大，考慮到計算機的運行速度，所以本系統(tǒng)中用到的比較多的是原型碰撞器，例如，在機艙漫游中，攝像頭一直做平移或者旋轉(zhuǎn)運動，給它加的是膠囊型碰撞器，因為膠囊型碰撞器在做旋轉(zhuǎn)動作時不需要重構，消耗資源少，可以保證良好的運行速度。給設備、管路、墻體等添加盒子碰撞器，如圖5所示。

圖5 壓縮機添加碰撞器場景

3.4 三維拾取

機艙虛擬場景中，有許多閥、按鈕、車鐘等可以動作的虛擬對象，稱之為交互點，為了實現(xiàn)這種仿真，讓用戶有更好的體驗，同時能和二維仿真軟件進行交互，需要對這些虛擬元器件進行拾取操作。

射線拾取算法也是虛擬場景中現(xiàn)行的最基本算法[7]。射線拾取算法基本原理：當點擊鼠標觸發(fā)屏幕某點時，計算機會記錄鼠標在屏幕中的坐標值，并將此坐標轉(zhuǎn)化為視口坐標，為視口坐標添加深度值，再通過逆運算得到該點在世界坐標系中的坐標值，最后建立一條以視點為起始點，以所得坐標為第二點的射線，然后用該射線與世界坐標系下的空間物體按深度逐個求交，若相交物體有且只有一個，則此物體就是所要拾取的物體，若有多個，則為深度最小的物體。

由原理可知，拾取算法主要有兩個關鍵步驟。關鍵步驟一：將屏幕上二維拾取點坐標轉(zhuǎn)化為三維空間上的坐標；關鍵步驟二：然后利用射拾取算法計算拾取物體，下面說明實現(xiàn)的具體算法。

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

(4)

由投影窗口上點Pn利用視口變換得到屏幕上的點O坐標為：

(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z=0時，表示Pn點位于近裁剪面上；當z=1時，表示Pn點位于遠裁剪面上。

(2)計算投影矩陣和視點矩陣相乘之后的轉(zhuǎn)置逆矩陣，轉(zhuǎn)換Pn坐標至世界坐標系中。

此時，可以由下式計算Pn點在世界空間中的坐標Pw：

式中，Mp為投影變換矩陣，Mv為視點變換矩陣，Mw為世界變換矩陣。

(3)以視點Pc和點Pw確定射線方程：

(9)

(4)判斷射線與物體是否相交。

為簡化說明，此處物體選用包圍球處理。設包圍球球心坐標為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 虛擬漫游的實現(xiàn)

在unity3D中實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實場景漫游可以通過添加第一人稱組件來實現(xiàn)，用戶可以根據(jù)實際需要添加燈光、輔攝像機等到第一人稱組件[8]。鼠標的移動可以控制主攝像機的旋轉(zhuǎn)，由類實現(xiàn)，若旋轉(zhuǎn)軸為軸，則鼠標的左右移動可帶動攝像機的左右旋轉(zhuǎn)，若旋轉(zhuǎn)軸為軸，則鼠標的上下移動可帶動攝像機的上下旋轉(zhuǎn)。類還提供了攝像機旋轉(zhuǎn)的靈敏度及最大旋轉(zhuǎn)角度的參數(shù)設置，用戶可根據(jù)實際要求進行設置。

3.6 粒子系統(tǒng)模擬火災

船舶火災是火災中的一種，它屬于船舶海難中較為常見且危害性較大的一種事故，船舶火災會對船舶、人員、貨物、環(huán)境造成不可估計的危害。這是因為船舶內(nèi)部結(jié)構復雜、分艙多、貨物密集不利于進行火災的撲救；船舶在航行時遠離陸地外援難以及時趕到，以船舶上的人員與設備其救災能力是有限的。因此對船舶人員進行有關火災的培訓是很必要的，在空壓機間引入了對機艙火災的模擬，以使船舶人員對船舶火災有一個直觀的認識。實現(xiàn)了一種基于GPU的粒子系統(tǒng)用來模擬船舶機艙火災、煙霧效果。

4 仿真軟件和三維場景交互

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

采用客戶機/服務器模式，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的時間向三維虛擬場景端進行一次數(shù)據(jù)發(fā)送；而三維虛擬場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)仿真的訓練效果不佳等問題,系統(tǒng)具有良好實際應用價值。將虛擬現(xiàn)實技術引入到船舶壓縮空氣系統(tǒng)中，實現(xiàn)虛擬仿真程序和三維虛擬場景的實時交互，滿足當今船員培訓與考核的要求。學員在逼真的虛擬機艙環(huán)境中進行漫游，熟悉系統(tǒng)結(jié)構。節(jié)省培訓中的場地、設備、經(jīng)費等其它資源。另外，可以虛擬現(xiàn)實技術應用到整個船舶相關的系統(tǒng)中，實現(xiàn)無限制反復訓練，節(jié)省船舶相關系統(tǒng)的維護費用，規(guī)避實物操作設備中可能出現(xiàn)的各種風險，提高船員培訓的訓練效果。

[1] 張可超.船舶壓縮空氣系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實的設計與研究[D].大連：大連海事大學,2014.

[2] 甘輝兵,張均東,蔣丁宇,等. 超大型油輪貨油泵透平系統(tǒng)仿真研究[J]. 中國造船,2014(1):164-174.

[3] 韓 杰,謝元華,李拜依,等. 活塞式壓縮機的研究進展[J]. 節(jié)能,2014,12:17-23.

[4] 許金元. 活塞式壓縮機主傳動系統(tǒng)動力學優(yōu)化問題研究[D].蕪湖：安徽工程大學,2014.

[5] 胡錦暉,胡大斌,何其偉. 某型船舶動力裝置建模及仿真[J]. 大連海事大學學報,2015(2):17-22.

[6] 石憲章,黃 明,趙振峰,等. 氣輔成型過程中可壓縮空氣流動數(shù)值模擬[J]. 化工學報,2013(3):906-911.

[7] 范曉勇,余歷軍,王戰(zhàn)輝. 往復活塞式壓縮機的變工況壓氣性能研究[J]. 化工機械,2015(2):180-183.

[8] 李 坤,徐小照. 基于飛輪矩計算的活塞式壓縮機計算機輔助設計研究[J]. 化工設備與管道,2015(2):58-60.

[9] 沈浩生,張均東,曾 鴻. 船舶集控室虛擬仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 圖學學報,2013(4):126-131.

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)務費專項資金(3132016015);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(3132016316)。

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

甘輝兵(1981-)，男，湖北人，副教授，碩士生導師，主要從事輪機自動化與智能化、輪機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

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