船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)研究

王海全 譚銀 朝劉勝

摘? 要：伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)其的研究已經(jīng)取得不少成果，并被逐漸應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域之中。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到船舶機(jī)艙中，并構(gòu)建一套虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，用戶即可在逼真的虛擬環(huán)境中，進(jìn)行操作和自主漫游，獲得與實(shí)際操作中相似的體驗(yàn)，并在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行交互操作，掌握基本的操作方法。本論文以虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)為研究切入點(diǎn)，對(duì)其在船舶機(jī)艙中的應(yīng)用，進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);仿真系統(tǒng);船舶機(jī)艙

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）07-0085-03

Abstract：With the further development of virtual reality technology，many achievements have been made in its research，and it has been gradually applied to various fields. The virtual reality technology is applied to the ship engine room，and a virtual reality simulation system is constructed. Users can operate and roam independently in the realistic virtual environment，obtain similar experience with the actual operation，and interact in the virtual scene to master the basic operation methods. In this paper，virtual reality simulation system is taken as the starting point，and its application in marine engine room is studied and analyzed in detail.

Keywords：virtual reality technology;simulation system;marine engine room

0? 引? 言

航海業(yè)對(duì)于推動(dòng)國(guó)家發(fā)展，具有十分重要的作用。尤其是在當(dāng)前國(guó)際環(huán)境下，伴隨著全球貿(mào)易一體化的現(xiàn)象，船舶作為海上貿(mào)易和海洋防御支柱，得到了廣泛的重視。現(xiàn)階段，伴隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，并實(shí)現(xiàn)了快速的發(fā)展和應(yīng)用。如今，虛擬現(xiàn)實(shí)這一先進(jìn)的技術(shù)，已經(jīng)被應(yīng)用到船舶機(jī)艙中。利用該技術(shù)構(gòu)建一個(gè)與船舶機(jī)艙環(huán)境相似的虛擬系統(tǒng)，提高了操作人員的操作技能，并通過(guò)接近于真實(shí)的環(huán)境體驗(yàn)，提高了操作人員的故障分析能力，并在特殊訓(xùn)練項(xiàng)目中發(fā)揮了突出的優(yōu)勢(shì)，具有不可替代的優(yōu)越性。

1? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是一種新型的科學(xué)技術(shù)，又稱之為靈境技術(shù)。而虛擬現(xiàn)實(shí)則是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的虛擬世界，這種系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)和傳感技術(shù)等有機(jī)融合為一個(gè)整體，并使其真正合成為一個(gè)集成系統(tǒng)。

具體來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括三個(gè)要素，即：

（1）給船舶機(jī)艙用戶提供一個(gè)逼真的虛擬世界，使其在虛擬環(huán)境中可進(jìn)行與實(shí)際相同的操作。

（2）用戶在該系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬操作的過(guò)程中，不會(huì)受到約束，可以自由地活動(dòng)。

（3）用戶可以在這一虛擬的船舶機(jī)艙系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)性操作。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性，在利用該技術(shù)所構(gòu)建的船舶機(jī)艙虛擬系統(tǒng)中，也具備三個(gè)顯著特征，即：沉浸、交互和想象。所謂的沉浸就是用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)情境中的投入程度。主要是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以給用戶提供一個(gè)沉浸的虛擬環(huán)境，使用戶在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和觸覺(jué)各個(gè)方面均沉浸其中;交互則是用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)中，可以借助類似真實(shí)的環(huán)境展開(kāi)操作，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的故障，進(jìn)而獲得反饋信息等;想象則是用戶在虛擬的環(huán)境中，可借助相關(guān)的條件和參數(shù)等，進(jìn)行科學(xué)、合理的推斷和想象[1]。

2? 船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這一技術(shù)已經(jīng)在諸多行業(yè)和領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在軍事、航空航天等行業(yè)中發(fā)揮了突出的優(yōu)勢(shì)。目前，有些國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始將虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)應(yīng)用到船舶航海操作中。例如：加拿大的MARS系統(tǒng)、美國(guó)的VESUB工程，均充分利用了虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)。不同的是，MARS系統(tǒng)是將虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)應(yīng)用到深海開(kāi)闊水域的操作訓(xùn)練中，VESUB工程則利用這一技術(shù)開(kāi)展項(xiàng)目訓(xùn)練。

在船舶航海中，虛擬現(xiàn)實(shí)這一先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，不僅被應(yīng)用在訓(xùn)練系統(tǒng)中，還可以被應(yīng)用到航海系統(tǒng)工程的開(kāi)發(fā)中。在本次研究中，筆者將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)充分應(yīng)用到船舶機(jī)艙中，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。該虛擬系統(tǒng)與真實(shí)的機(jī)艙環(huán)境相同，具備舵機(jī)設(shè)備，并且用戶在操作的過(guò)程中，還可以在其中自由漫游，進(jìn)而給操作人員提供一個(gè)真實(shí)的操作體驗(yàn)環(huán)境，使得操作人員在虛擬系統(tǒng)中，不斷提高其操作技能，并提高其發(fā)現(xiàn)故障的能力[2]。

在具體進(jìn)行船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，從以下四個(gè)方面給予了關(guān)注和研究：

（1）場(chǎng)景真實(shí)性。在設(shè)計(jì)船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的過(guò)程中，為了給用戶營(yíng)造沉浸感、代入感，在接近于真實(shí)的場(chǎng)景中，展開(kāi)科學(xué)、合理的推斷和想象，并產(chǎn)生交互行為，必須要設(shè)計(jì)一個(gè)逼真的機(jī)艙場(chǎng)景模型，具體到每一個(gè)設(shè)備、每一個(gè)管路，力求所有的局部細(xì)節(jié)均呈現(xiàn)在操作人員的面前。

（2）虛擬場(chǎng)景漫游。在設(shè)計(jì)船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的過(guò)程中，為了進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)員的自主性，必須要注重虛擬場(chǎng)景漫游，并且在設(shè)計(jì)中，還要添加碰撞檢測(cè)這一環(huán)節(jié)，使得漫游更加真實(shí)。

（3）要有顯示儀表和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。在設(shè)計(jì)船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)用戶操作者的良好反饋，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須要有顯示儀表和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

（4）友好的操作界面。在設(shè)計(jì)船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的過(guò)程中，為了便于用戶操作，必須要加強(qiáng)操作界面的設(shè)計(jì)。在具體的設(shè)計(jì)中，必須要確保用戶界面具備簡(jiǎn)潔、美觀、易于理解、易于操作等特點(diǎn)。同時(shí)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還必須要遵循相應(yīng)的操作程序，確保設(shè)計(jì)的界面功能完善、外觀和諧[3]。

3? 船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)具體研究

3.1? 虛擬機(jī)艙三維模型的建立

船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是可以給用戶營(yíng)造一種身臨其境的感覺(jué)，并與計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，因此，在進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建的過(guò)程中，必須要給予有效的關(guān)注。鑒于人體在獲得外部世界信息的時(shí)候，均是通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等器官進(jìn)行的，且以視覺(jué)為主。因此，在具體進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)用戶視覺(jué)的現(xiàn)場(chǎng)感，注意以下幾個(gè)方面：

（1）結(jié)合人類視覺(jué)的生理特性，從人類視覺(jué)對(duì)亮度、彩色特性，以及視覺(jué)的分辨力和惰性四個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。

（2）在具體設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須要以人體雙目視覺(jué)為基本原則和出發(fā)點(diǎn)。

（3）設(shè)計(jì)的目的是生成一個(gè)立體的、虛擬的視覺(jué)圖像。

（4）在對(duì)虛擬機(jī)艙三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要以人類視覺(jué)的分時(shí)式、分路式為依據(jù)。

（5）在具體設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還要對(duì)人類的立體視覺(jué)進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試和研究。

（6）在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還要對(duì)影響人類視覺(jué)效果的因素進(jìn)行仔細(xì)的考慮。

結(jié)合人類經(jīng)驗(yàn)和視覺(jué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，人不僅在使用雙眼觀看景物的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生立體感，即使在單眼觀看景物的時(shí)候，也可以對(duì)物體的前后深度進(jìn)行明確的辨認(rèn)，進(jìn)而具有一定程度的立體感。因此，在建立虛擬機(jī)艙三維模型的時(shí)候，必須要對(duì)三維尺寸和方向信息進(jìn)行精準(zhǔn)的獲得，只有做到這一點(diǎn)，才能確保用戶在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作的時(shí)候，能夠精準(zhǔn)地進(jìn)行交互。

3.2? 虛擬機(jī)艙漫游仿真系統(tǒng)

用戶如果想要在虛擬空間中，對(duì)虛擬環(huán)境中的任意一個(gè)角度進(jìn)行觀察，在對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建的過(guò)程中，必須要制造一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，并且將用戶在操作過(guò)程中的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)一體化。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，一方面，必須要結(jié)合船舶機(jī)艙實(shí)際操作環(huán)境，創(chuàng)造一個(gè)逼真的仿真系統(tǒng)，進(jìn)而給用戶提供一個(gè)無(wú)限接近于現(xiàn)實(shí)的虛擬化場(chǎng)景，使其在操作的過(guò)程中，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué);另一方面，從船舶機(jī)艙的角度上講，船舶機(jī)艙中的設(shè)備繁多，且機(jī)構(gòu)復(fù)雜、管系縱橫交錯(cuò)、艙柜層次迭起，只有通過(guò)構(gòu)建虛擬機(jī)艙漫游仿真系統(tǒng)，才能使得用戶在接近于真實(shí)場(chǎng)景的體驗(yàn)中，不斷提高其操作技能[4]。

在具體進(jìn)行漫游仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可充分利用建模法的漫游技術(shù)。在使用該技術(shù)的時(shí)候，以圖形學(xué)為基礎(chǔ)，解構(gòu)船舶機(jī)艙中的實(shí)際情況，對(duì)各種設(shè)備、場(chǎng)景等進(jìn)行模擬，積極構(gòu)建三維模型，并利用所有設(shè)備的三維模型，構(gòu)建出一個(gè)虛擬環(huán)境和空間。同時(shí)，在構(gòu)建三維模型的過(guò)程中，還要結(jié)合所有現(xiàn)實(shí)物體的物理屬性，賦予模型物體材質(zhì)、光照等屬性;最后，用戶在進(jìn)行操作的過(guò)程中，還要對(duì)漫游者的位置、動(dòng)作行為等進(jìn)行有效的控制，以幫助其達(dá)到漫游的效果。同時(shí)，在建模的過(guò)程中，還要注重模型的精確度、美觀性。因此，為了給用戶提供一個(gè)更加逼真的體驗(yàn)環(huán)境，常常需要消耗較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行建模。

另外，在構(gòu)建虛擬漫游系統(tǒng)的過(guò)程中，為了使得人在虛擬的模型場(chǎng)景中的操作行為、操作動(dòng)作更加逼真，常常在虛擬環(huán)境中進(jìn)行碰撞檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)人與人、人與物之間是否發(fā)生碰撞、是否需要足夠的穩(wěn)定和準(zhǔn)確進(jìn)行判斷。

3.3? 虛擬船舶駕駛臺(tái)和集控室仿真系統(tǒng)

虛擬船舶駕駛臺(tái)系統(tǒng)主要包含了控制室、駕駛臺(tái)、操舵儀、雷達(dá)等設(shè)備，在進(jìn)行虛擬船舶駕駛臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可充分利用虛擬按鈕的方式，對(duì)駕駛臺(tái)進(jìn)行操作。虛擬船舶集控室則主要包括虛擬集控室、虛擬集控臺(tái)、虛擬配電板和虛擬儀表板等，操作者可以借助虛擬車中的虛擬油門桿、虛擬按鈕等對(duì)船舶柴油主機(jī)進(jìn)行操作。

3.4? 視景仿真系統(tǒng)的交互界面設(shè)計(jì)

在船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一方面，艙室漫游視景、船舶運(yùn)行仿真視景、艙室破損浸水仿真視景，均需要有系統(tǒng)交互界面進(jìn)行控制;另一方面，鑒于船舶模型面數(shù)較多，艙室的模型較為復(fù)雜，因此必須要進(jìn)行視景仿真系統(tǒng)的交互界面設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)注意從以下兩方面進(jìn)行：

（1）系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)。在對(duì)系統(tǒng)的主界面進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可采用電擊按鈕、異步加載的方式，讀取系統(tǒng)后臺(tái)的數(shù)據(jù)，并從主界面進(jìn)入到二級(jí)主界面。當(dāng)返回到主界面的時(shí)候，則可以通過(guò)結(jié)束按鈕的方式，將程序進(jìn)行關(guān)閉。

（2）二級(jí)主界面設(shè)計(jì)。二級(jí)主界面主要包括船舶仿真視景、艙室破損浸水仿真視景、艙室漫游視景的操作界面，并利用按鈕切換、異步加載的方式，獲得不同的視景。同時(shí)，在切換的過(guò)程中，必須要保證不會(huì)對(duì)其他場(chǎng)景的數(shù)據(jù)讀取產(chǎn)生影響。

另外，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，在進(jìn)行場(chǎng)景切換的過(guò)程中，極有可能會(huì)出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)用戶的體驗(yàn)效果產(chǎn)生影響。基于此，可充分利用相應(yīng)的技術(shù)，從系統(tǒng)的CPU、GPU和內(nèi)存三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）CPU優(yōu)化。在虛擬系統(tǒng)中，每一次都要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)CPU的渲染，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)中CPU負(fù)荷嚴(yán)重，直接降低了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。因此，可將大量的Draw Call對(duì)CPU進(jìn)行優(yōu)化，以減少其工作量。

（2）GPU優(yōu)化。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，GPU主要負(fù)責(zé)進(jìn)行圖像渲染。因此，在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，可充分利用減少繪制數(shù)目、優(yōu)化顯存帶寬等方式，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

（3）內(nèi)存優(yōu)化?？沙浞忠肈LL等方式，對(duì)內(nèi)存進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化[5]。

4? 結(jié)? 論

綜上所述，伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，通過(guò)該技術(shù)構(gòu)建一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，給用戶操作者提供一個(gè)身臨其境的環(huán)境，并使其在虛擬的環(huán)境中，掌握船舶機(jī)艙操作要點(diǎn)，不斷提升其操作水平。

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作者簡(jiǎn)介：王海全（1992.07-），男，漢族，山東榮成人，助理實(shí)驗(yàn)師，本科，主要研究方向：船舶工程技術(shù)。