基于VR的船舶虛擬樣艙可視化體驗平臺開發(fā)

王 真

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司， 上海 200063)

0 引 言

船舶內(nèi)裝設(shè)計是船舶設(shè)計的重要組成部分，傳統(tǒng)的內(nèi)裝設(shè)計大多數(shù)通過圖紙和效果圖的形式來表達(dá)，不夠直觀真實，無法實時動態(tài)地變更設(shè)計風(fēng)格以及設(shè)計屬性信息，如果建立實體樣板艙，則存在更新迭代快且成本高等缺點;另一方面，隨著內(nèi)裝項目的不斷積累，項目重要設(shè)計數(shù)據(jù)等寶貴資源往往以零散的碎片化形式保存，缺少一個滿足個性化需求的內(nèi)裝項目知識庫管理平臺。

本文以國內(nèi)極地科學(xué)考察破冰船內(nèi)裝工程項目為實例，基于虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality, VR)技術(shù)，開發(fā)船舶虛擬樣艙可視化體驗平臺，將艙室設(shè)計信息在3D虛擬環(huán)境中真實地表達(dá)出來，讓用戶真正融入到內(nèi)裝設(shè)計中，實時獲得不同的設(shè)計風(fēng)格。不僅如此，該平臺還可以不斷擴(kuò)展新的設(shè)計項目，作為項目知識庫管理工具供設(shè)計人員使用，提高設(shè)計效率。

1 虛擬樣艙可視化體驗平臺設(shè)計

1.1 平臺介紹

虛擬樣艙可視化體驗平臺將VR技術(shù)應(yīng)用于船舶內(nèi)裝設(shè)計過程和方案表達(dá)中，探索“VR+船舶內(nèi)裝”新模式，平臺整體開發(fā)設(shè)計需要在場景、美工、特效、主程序等各個方面做到統(tǒng)籌把控，包括三維數(shù)字模型樣艙程序開發(fā)和艙室360°VR全景程序開發(fā)，如圖1所示為平臺主界面。

圖1 虛擬樣艙主界面

(1) 三維數(shù)字樣艙程序開發(fā)?；谌S數(shù)字模型的虛擬樣艙開發(fā)，將設(shè)計過程信息化、三維化、交互化，讓用戶在虛擬艙室中，自主漫游，多視角體驗艙室布局，完成對內(nèi)裝設(shè)計方案實時互動可編輯的功能需求，大幅提升設(shè)計的參與感和趣味性。

(2) 艙室360°VR全景程序開發(fā)。使用360°VR全景進(jìn)行內(nèi)裝設(shè)計方案可視化應(yīng)用，具有制作成本低、周期短、效果滿意度高等優(yōu)點。制定標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)流程，將艙室三維數(shù)字模型導(dǎo)入3D圖形渲染工具，生成全景程序所需的六面基礎(chǔ)圖像素材[1],在此基礎(chǔ)上，結(jié)合艙室涉及的分析內(nèi)容(空調(diào)通風(fēng)、光照模擬、環(huán)境材料等),完成艙室全景程序開發(fā)工作，圖2為科考船登船大廳360°VR全景效果。

圖2 科考船登船大廳360°VR全景

1.2 開發(fā)環(huán)境

本平臺基于Unity3D開發(fā)，適配HTC VIVE虛擬現(xiàn)實硬件系統(tǒng)，集成SteamVR SDK，Unity3D是一款基于開源.net即Mono.net的組件化三維引擎，它對編輯器、跨平臺發(fā)布、地形編輯、著色器、腳本、網(wǎng)絡(luò)和物理等特性進(jìn)行全面整合，具有開發(fā)效率高、運行穩(wěn)定等特點，開發(fā)者可將工程文件發(fā)布為.exe執(zhí)行文件提供給用戶[2]，表1為平臺系統(tǒng)主要開發(fā)環(huán)境。

表1 平臺系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

1.3 VR開發(fā)工作流程

(1) VR軟硬件環(huán)境搭建。虛擬樣艙可視化體驗平臺適配HTC VIVE虛擬現(xiàn)實設(shè)備，首先需要搭建VR軟件和硬件環(huán)境，在Unity3D的Asset Store上下載SteamVR SDK，導(dǎo)入Unity3D工程項目中。

(2) VR模型和貼圖制作。將極地科考船相關(guān)艙室的CAD圖紙、參考設(shè)計效果圖等資料， 結(jié)合VR模型制作、材質(zhì)貼圖制作規(guī)范相結(jié)合，建立三維數(shù)字模型以及紋理貼圖，導(dǎo)入Unity3D中，完成VR項目音效、圖形界面、燈光設(shè)置渲染等藝術(shù)效果制作工作。

(3) VR內(nèi)容開發(fā)與優(yōu)化。結(jié)合平臺開發(fā)需求，使用Unity3D開發(fā)引擎，集成HTC VIVE硬件設(shè)備的SteamVR SDK，進(jìn)行VR內(nèi)容方面的開發(fā)工作，并依據(jù)程序測試分析，進(jìn)行內(nèi)容優(yōu)化。

(4) VR程序打包和發(fā)布。在上述工作流程基礎(chǔ)上，對VR項目進(jìn)行打包發(fā)布工作，選擇Build Setting中的Platform，在目標(biāo)平臺上進(jìn)行發(fā)布[3]。

2 虛擬樣艙可視化體驗平臺開發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)庫開發(fā)

傳統(tǒng)的文件信息管理存在數(shù)據(jù)冗余且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致等缺點，本文采用SQLite數(shù)據(jù)庫搭建平臺數(shù)據(jù)庫框架，進(jìn)行數(shù)字樣艙屬性參數(shù)和實體信息的管理工作，實現(xiàn)對艙室內(nèi)裝設(shè)計涉及的材料、家具、家電等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行妥善保存和有效結(jié)構(gòu)化管理，用戶在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中可以便捷地實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的檢索、查詢、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析、編輯等功能。

SQLite是一款輕型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，具備數(shù)據(jù)處理速度快、開源性好、支持多平臺等優(yōu)點，SQL是一種結(jié)構(gòu)化查詢語言，通過SQL可實現(xiàn)表數(shù)據(jù)查詢、修改、更新，以及對數(shù)據(jù)庫復(fù)雜的訪問等控制[4]。Unity3D實現(xiàn)對SQLite數(shù)據(jù)庫的訪問，首先需要將Mono目錄下的Mono.Data.Sqlite.dll 、System.Data.dll、sqlite3.dll編譯到Unity3D->Assets->Plugins文件目錄中，并在C#程序中添加Mono.Data.Sqlite.dll引用文件[5]。

2.2 UGUI界面開發(fā)

UI界面開發(fā)是系統(tǒng)中不可缺少的一個環(huán)節(jié)，Unity3D 4.6版本以后，Unity3D推出了新的UGUI系統(tǒng)，該系統(tǒng)為開發(fā)者提供了非常完善且高效的圖形化交互界面，運行效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低級界面(手動實現(xiàn))。UGUI高級界面的種類很多，包含Label(標(biāo)簽)、Button(按鈕)、TextField(輸入框)、ToolBar(工具欄)等，開發(fā)者可以使用C#和Javascript對UI進(jìn)行交互功能的開發(fā)，實現(xiàn)預(yù)期效果[5]。

2.3 藝術(shù)效果制作

船舶內(nèi)裝設(shè)計要求艙室空間、色彩、照明、家具等具有鮮明的性格和藝術(shù)風(fēng)格，是工程技術(shù)與室內(nèi)藝術(shù)的有機(jī)結(jié)合，所以在VR環(huán)境中，對于內(nèi)裝設(shè)計方案的藝術(shù)效果表達(dá)也是十分重要的環(huán)節(jié)。在Unity3D里,所有的圖形繪制都必須通過著色器(Shader)，一般用到的都是Unity自帶的Shader,開發(fā)者也可以通過ShaderLab創(chuàng)建個性化著色器，得到用戶想要的特殊效果，進(jìn)而增強(qiáng)虛擬樣艙的畫面表現(xiàn)。圖3為會議室材質(zhì)著色器效果。

圖3 會議室著色器效果

2.4 艙室交互體驗功能開發(fā)

艙室交互體驗功能的開發(fā)，適配HTC VIVE 虛擬現(xiàn)實設(shè)備(見圖4)，集成SteamVR SDK，這部分內(nèi)容實現(xiàn)主要由以下功能組成：

圖4 HTC VIVE設(shè)備

(1) 艙室墻紙及地面材質(zhì)動態(tài)編輯。艙室墻紙及地面材質(zhì)動態(tài)編輯，可以讓用戶在虛擬環(huán)境中實時更改設(shè)計方案，體驗不同的設(shè)計風(fēng)格，激發(fā)用戶按照自己的喜好裝飾虛擬樣艙，相比于傳統(tǒng)效果圖的表現(xiàn)形式，更能提升用戶滿意度，也為設(shè)計人員提供有效設(shè)計依據(jù)。圖5為相關(guān)代碼。

圖5 更換材質(zhì)代碼

(2) 艙室家具實例化與互動。艙室家具實例化與互動不僅豐富了虛擬樣艙樣式，更提高了用戶的體驗感。與家具的互動可以讓用戶對艙室內(nèi)部空間有更好的掌控權(quán)，不僅如此，對于艙室內(nèi)部實體加入了重力感應(yīng)，使它們可以像真實物理世界一樣，具備物理屬性。用戶可以通過VR手柄控制器，對內(nèi)部家具進(jìn)行抓取、拾起、移動以及旋轉(zhuǎn)，個性化配置家具家電(見圖6)，提前感受真實艙室的日常生活狀態(tài)。

圖6 艙室家具實例化交互界面

(3) 燈光模式切換。在虛擬樣艙中，模擬真實世界的燈光模式變換以及燈光強(qiáng)度，讓體驗者實時感覺到不同的模式所帶來的不同視覺效果變化。

(4) 艙室家具實體屬性信息查詢。通過“射線觸發(fā)碰撞”方法，進(jìn)行設(shè)計信息的可視化表達(dá)，通過手柄控制器點擊艙室內(nèi)部家具實體，獲取該實體相關(guān)屬性信息(如施工工藝、材料報價、空調(diào)通風(fēng)、光照模擬等)，達(dá)到設(shè)計信息“所見即所得”的目的，如圖7和圖8所示。

圖7 艙室家具實例化工程

圖8 分析屬性信息查詢

2.5 艙室360°VR全景程序開發(fā)

使用360°VR全景方式進(jìn)行設(shè)計方案的可視化應(yīng)用，具有制作成本較低，項目周期短等優(yōu)點，在項目投標(biāo)或樣板艙建設(shè)階段，應(yīng)用艙室360°VR全景，不僅為艙室設(shè)計提供有效依據(jù)，也提高了項目投標(biāo)的市場競爭力。艙室360°VR全景程序包括全景圖基礎(chǔ)素材制作、全景圖片拼接以及全景程序開發(fā)等3個主要步驟組成。

(1) 將艙室三維數(shù)字模型導(dǎo)入3DMax軟件，使用該軟件進(jìn)行全景圖基礎(chǔ)素材的制作工作，以固定視角，分別渲染艙室上、下、左、右、前、后共6張圖片，導(dǎo)入Unity3D引擎中。

(2) 在Unity3D中，創(chuàng)建一個mat，使用天空盒進(jìn)行六面圖的拼接工作，修改shader為skybox/6 sided；在Inspector中，設(shè)置TextureType為Texture，并將紋理圖片Wrap Mode設(shè)置為Clamp，保證拼接縫隙顯示最優(yōu)。

(3) 在MonoDevelop開發(fā)環(huán)境中，使用C#對全景素材進(jìn)行功能開發(fā)，包括播放模式自由變換、不同艙室選擇、功能看板提示、背景音樂設(shè)置等。

2.6 艙室設(shè)計資源的動態(tài)配置

虛擬樣艙可視化體驗平臺成果發(fā)布后，用戶可以對項目相關(guān)資源文件(如模型文件、材質(zhì)、紋理和場景資源等)進(jìn)行動態(tài)更新升級，同時，艙室設(shè)計相關(guān)屬性信息(如材料報價、空調(diào)通風(fēng)、光照模擬、家具設(shè)施等)進(jìn)行外部資源的編輯配置，這樣可以讓平臺更加靈活，可擴(kuò)展性更強(qiáng)。本文采用AssetBuddle項目管理機(jī)制進(jìn)行該功能實現(xiàn)。

AssetBundle是一種特殊格式的文件組織形式，可以在項目中按需加載，它支持所有Unity3D支持的文件類型，Unity3D在導(dǎo)入時將此類文件當(dāng)作一個TextAsset。首先創(chuàng)建工作流：相同的模型盡量打包在一起，公用一套資源文件，不相同的模型盡量分開打包；相同模型如具有不同的腳本、組件，則需要把他們放在不同的Prefab中。最后把這些Prefab一起打包在一個AssetBundle中，并將其傳至服務(wù)器，客戶端從服務(wù)器下載AssetBundle，并按需操作每個AssetBundle中的資源。圖9為使用Unity3D AssetBundle動態(tài)加載地板材質(zhì)資源。

圖9 AssetBundle動態(tài)加載地板材質(zhì)資源

3 成果發(fā)布

(1) 完成工程項目的開發(fā)工作后，可以將虛擬樣艙可視化體驗平臺發(fā)布成為獨立的.exe執(zhí)行程序(見圖10),用戶點擊“虛擬樣艙可視化體驗平臺V1.0Beta.exe”軟件圖標(biāo)，即可啟動程序。

圖10 Unity3D成果打包發(fā)布

(2) 可將艙室360°VR全景程序發(fā)布在免費云平臺上，通過手機(jī)移動端進(jìn)行線下和線上的使用體驗。

4 結(jié)論與展望

本文以國內(nèi)極地科考船內(nèi)裝工程項目為實例，針對傳統(tǒng)船舶內(nèi)裝設(shè)計手段和表達(dá)方式存在的不足，開發(fā)船舶虛擬樣艙可視化體驗平臺，將船舶艙室的設(shè)計信息在3D虛擬環(huán)境中真實地表達(dá)出來，同時闡述了該平臺開發(fā)過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，探索“VR+船舶內(nèi)裝”創(chuàng)新模式。不僅如此，通過內(nèi)裝設(shè)計項目的不斷積累，將寶貴的設(shè)計資料有效地集成在該平臺中，為設(shè)計人員提供有效的設(shè)計依據(jù)。

該平臺可擴(kuò)展性強(qiáng)，研發(fā)團(tuán)隊在后續(xù)的研究中將進(jìn)一步結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與智能艙室控制網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)對接，實現(xiàn)艙室的互聯(lián)互通，為智能艙室產(chǎn)品開發(fā)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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