船舶機(jī)艙交互漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

肖劍波　胡大斌　胡錦暉

摘 要： 船舶機(jī)艙環(huán)境設(shè)備眾多、場景復(fù)雜、管系縱橫交錯(cuò)，在此根據(jù)機(jī)艙訓(xùn)練需求，開展了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶機(jī)艙交互漫游系統(tǒng)研究。分析了基于網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，并采用模塊化設(shè)計(jì)方式，開展了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)工作流程進(jìn)行了分析，并對(duì)漫游系統(tǒng)中虛擬人、操作手、視點(diǎn)等的矩陣變換進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較好的沉浸感，可以滿足船員艙室漫游、設(shè)備交互操作、聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練的要求。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)； 機(jī)艙； 交互漫游； 聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練

中圖分類號(hào)： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）16?0126?03

Abstract： Since there are multiple equipments， complex scenes and criss?cross pipes in the marine engine room， the virtual reality technology based interactive roaming system for marine engine room is studied according to the training requirements of engine room. The hardware structure of the distributed system based on network is analyzed. The modular design mode is adopted to design the system software， and analyze the system working flow. The matrix transformation of virtual human， manipulator and viewpoint in roaming system is studied. The test results show that the system has perfect immersion， and can meet the mariners′ requirements for engine room roaming， equipment interactive handling and networking training.

Keywords： virtual reality； engine room； interactive roaming； networking training

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互等技術(shù)手段，依托計(jì)算機(jī)及立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等外設(shè)構(gòu)建逼真的三維化的虛擬環(huán)境，給使用者帶來沉浸式體驗(yàn)，是目前研究的熱點(diǎn)問題之一，已經(jīng)逐步成熟并應(yīng)用于游戲、廣告宣傳、軍事訓(xùn)練、展示設(shè)計(jì)等方面，顯示出強(qiáng)大的魅力[1]。相比于傳統(tǒng)的實(shí)船或半實(shí)物仿真訓(xùn)練而言，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的訓(xùn)練方式具有費(fèi)用低、時(shí)間短、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。船舶機(jī)艙環(huán)境設(shè)備眾多、場景復(fù)雜、管系縱橫交錯(cuò)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建機(jī)艙復(fù)雜環(huán)境[2]，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙的三維可視化及漫游交互系統(tǒng)，對(duì)提高船員培訓(xùn)效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)艙交互漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

船舶機(jī)艙交互漫游系統(tǒng)是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互方式構(gòu)建的漫游系統(tǒng)[3]，主要實(shí)現(xiàn)如下功能：進(jìn)行第一視角漫游；機(jī)艙內(nèi)部及船外自然環(huán)境仿真；操作提示語言顯示及語音播放；系統(tǒng)文件記錄功能；虛擬人與操控臺(tái)碰撞檢測功能；虛擬人、手等的實(shí)時(shí)姿態(tài)顯示；操控臺(tái)的指令響應(yīng)；分布式交互仿真。

系統(tǒng)具有離線和聯(lián)網(wǎng)兩種使用模式：離線使用時(shí)，本系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，用戶可對(duì)艦船內(nèi)部艙室布局、設(shè)備、艦船外部進(jìn)行直觀地預(yù)覽、評(píng)估，并可對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作控制，開展單系統(tǒng)、單設(shè)備獨(dú)立訓(xùn)練；聯(lián)網(wǎng)使用時(shí)，本漫游交互系統(tǒng)以聯(lián)邦成員的形式加入到分布交互式仿真系統(tǒng)中，為崗位人員提供逼真的虛擬工作場景（包括設(shè)備的儀表顯示等），同時(shí)，將崗位人員的操作信號(hào)發(fā)送到仿真系統(tǒng)中。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)的分布式硬件結(jié)構(gòu)，硬件組成包括：

（1） 計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。其功能是連接2臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成小的局域網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)相關(guān)計(jì)算。其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成左右目三維圖像的實(shí)時(shí)生成，生成的圖像信號(hào)輸出到頭盔顯示器；另一臺(tái)計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)綜合計(jì)算機(jī)，主要完成數(shù)據(jù)手套、6DOF運(yùn)動(dòng)跟蹤傳感器信號(hào)的采集、濾波、延時(shí)信號(hào)補(bǔ)償、計(jì)算；船舶六自由度仿真模型解算；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理、雙目同步等。

（2） 頭盔式顯示器。其功能是顯示左、右眼成像計(jì)算機(jī)生成的圖像，在人腦中合成立體感知。選用Proview SR80型頭盔顯示器。分辨率為1 280×1 024，視場角為53°（V）×63°（H），頭盔顯示器頂部后端安裝有接收器，用于完成對(duì)操作者頭部位置和姿態(tài)的跟蹤，并可以通過旋鈕調(diào)整頭盔顯示器瞳孔間距。

（3） 6DOF運(yùn)動(dòng)跟蹤傳感器。其功能是完成人的頭和手位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸。系統(tǒng)選用Flock of Birds六自由度跟蹤器，包含2個(gè)發(fā)射器基座和8個(gè)跟蹤器接收器。

（4） 數(shù)據(jù)手套（Data Glove）。其功能是完成手掌、手指、關(guān)節(jié)等部分的跟蹤。選用Immersion公司生產(chǎn)的帶有22個(gè)光纖傳感器的數(shù)據(jù)手套，并且?guī)в杏|覺反饋Cyber Touch。手套腕部設(shè)置有跟蹤器的接收器，用于實(shí)時(shí)跟蹤手腕部的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)。手套內(nèi)包含22個(gè)光纖傳感器，用于跟蹤整個(gè)手掌22個(gè)位置的姿態(tài)。5個(gè)手指指端為觸覺反饋裝置，在給定激勵(lì)的條件下，內(nèi)附電機(jī)能產(chǎn)生幅值可調(diào)的震動(dòng)，以模擬觸覺反饋。

（5） Wand操作桿。其功能是完成空間無線交互功能。選用Wand操作桿，可以實(shí)現(xiàn)三自由度地磁跟蹤，六鍵可編程交互。endprint

硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2為雙人工作模式的船舶機(jī)艙交互漫游系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，即兩套單人工作模式聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成。以類似擴(kuò)展方式進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)可以與其他仿真計(jì)算機(jī)等進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)仿真。

1.3 軟件模塊設(shè)計(jì)

聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練模式采用HLA1516體系結(jié)構(gòu)，選用Vega Prime，DI?Guy作為三維仿真開發(fā)軟件，基于Creator構(gòu)建場景機(jī)艙布局、艙室設(shè)備等三維模型，通過Vega Prime實(shí)現(xiàn)場景模型的驅(qū)動(dòng)控制及機(jī)艙外部自然環(huán)境等的渲染，運(yùn)用DI?Guy實(shí)現(xiàn)往場景中添加特定行為的人物，并實(shí)現(xiàn)便捷改變虛擬人的服飾、顏色。系統(tǒng)軟件包括場景顯示模塊、硬件設(shè)備輸入模塊、界面操作模塊、人物顯示與控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、配置文件解析模塊、提示信息模塊、音響效果管理模塊等多個(gè)部分，系統(tǒng)領(lǐng)域類圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)工作流程及坐標(biāo)變換

船舶機(jī)艙交互漫游系統(tǒng)是典型的人機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)，工作流程如圖4所示。

首先，人頭部和手部的運(yùn)動(dòng)信號(hào)有運(yùn)動(dòng)跟蹤傳感器和數(shù)據(jù)手套測量。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗?，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到圖像生成節(jié)點(diǎn)，計(jì)算生成相應(yīng)的位姿變換矩陣，生成視點(diǎn)變換矩陣，進(jìn)而生成顯示畫面以及手部的圖像。另外操縱桿信號(hào)（位置和姿態(tài)），通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到圖像生成計(jì)算機(jī)，用以驅(qū)動(dòng)漫游者的運(yùn)動(dòng)。

2.1 手部運(yùn)動(dòng)矩陣變換

通過安裝在數(shù)據(jù)手套腕部的6DOF運(yùn)動(dòng)跟蹤器及數(shù)據(jù)手套可測量出手掌及小臂的全部運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過這些參數(shù)可以解算出手掌及小臂的運(yùn)動(dòng)。

假設(shè)在某一時(shí)刻手腕傳感器的輸出為[（xw，yw，zw，ψw，θw，γw）]，則傳感器坐標(biāo)系[OwXwYwZw]到測量坐標(biāo)系[OmXmYmZm]的變換矩陣為[4?5]：

3 試驗(yàn)結(jié)果

本文選用普通商用計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)艙交互漫游系統(tǒng)的開發(fā)，結(jié)果表明：系統(tǒng)具有較好的沉浸感，可以滿足船員艙室漫游、設(shè)備交互操作、聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練的要求，仿真過程平均運(yùn)行速率為30 f/s。圖5為本系統(tǒng)試驗(yàn)虛擬手與操控臺(tái)按鈕碰撞檢測響應(yīng)結(jié)果圖。

4 結(jié) 語

本文所研究的系統(tǒng)對(duì)數(shù)字化城市、數(shù)字化博物館等研究具有一定的借鑒意義。系統(tǒng)存在如下不足：部分操控臺(tái)及機(jī)艙設(shè)備的紋理真實(shí)度不高，有待進(jìn)一步改進(jìn)；在對(duì)艙室設(shè)備建模時(shí)，采用獨(dú)立建模再綜合集成方式實(shí)現(xiàn)，未消除部分遮擋面片，后續(xù)可以進(jìn)一步改進(jìn)以提高渲染速率。

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