三維虛擬現(xiàn)實技術船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)

蔡云菲 周絲靜 施葦 袁詩

摘 要：由于在利用原有系統(tǒng)進行船舶室內環(huán)境設計時，受場景搭建數(shù)據(jù)量過大的影響而無法進行數(shù)據(jù)處理，在室內環(huán)境設計元素為20～40個的范圍內存在室內場景模擬用時較長的問題，因此提出一種基于三維虛擬現(xiàn)實技術的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)。通過硬件與軟件的組合實現(xiàn)船舶室內環(huán)境設計的目的。為證明該系統(tǒng)的室內場景模擬用時較短，在室內環(huán)境設計元素為20～40個的范圍內將其與原有系統(tǒng)進行對比實驗，實驗結果證明該系統(tǒng)的室內場景模擬用時最短，實現(xiàn)了設計性能的提升。

關鍵詞：三維虛擬現(xiàn)實技術;船舶;室內環(huán)境設計;PC機

船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)能夠對船舶室內環(huán)境進行科學規(guī)劃設計，使船舶室內環(huán)境更加舒適、布局更加合理。隨著船舶其他性能的提升，人們對其居住性能也提出了越來越高的要求，愈發(fā)意識到船舶室內環(huán)境設計的重要性。而通過船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)，能夠獲得船舶室內環(huán)境的智能設計方案，極大改善船舶的現(xiàn)有居住環(huán)境[1]。國內外對于船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)的研究各有其側重點，很多學者都提出了不同的系統(tǒng)方案。國外對于船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)的研究主要集中在豪華郵輪、游艇等船舶的艙室布置和環(huán)境設計方面，有學者提出一種基于環(huán)境因子的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)，主要基于環(huán)境因子理論進行船舶室內環(huán)境設計。而我國對于船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)的研究則主要集中于客船、工作船、軍船等船舶的艙室布置和環(huán)境設計方面，有學者提出一種基于布局優(yōu)化的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)，主要基于布局優(yōu)化思想進行船舶室內環(huán)境設計。由于在利用以上系統(tǒng)進行船舶室內環(huán)境設計時，受場景搭建數(shù)據(jù)量過大的影響而無法進行數(shù)據(jù)處理，在室內環(huán)境設計元素為20～40個的范圍內存在室內場景模擬用時較長的問題，因此提出一種基于三維虛擬現(xiàn)實技術的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)。

一、設計基于三維虛擬現(xiàn)實技術的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)

1.設計硬件

基于三維虛擬現(xiàn)實技術的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)的硬件構成為視覺模塊、數(shù)據(jù)處理模塊[2]。

（1）設計視覺模塊基于三維虛擬現(xiàn)實技術中的立體傳感器和顯示技術設計視覺模塊，該模塊主要由多個立體視覺傳感器構成，主要通過立體視覺傳感器的布設對設計的船舶室內環(huán)境進行三維成像顯示。其中立體視覺傳感器的具體型號為XtionASUS。

（2）設計數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊由PC機和GPU構成。其中PC機主要用于核心數(shù)據(jù)處理，而GPU主要用于圖像數(shù)據(jù)處理，選用的型號為 QuadroNvidia3000MGPU [3]。

2.設計軟件

基于三維虛擬現(xiàn)實技術的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)的軟件配置為室內環(huán)境設計模塊。室內環(huán)境設計模塊主要通過Direct3D軟件與OpenGL軟件進行船舶室內環(huán)境的設計。其中OpenGL軟件主要作用是通過復雜曲面、曲線、簡單圖形、點、線等展示函數(shù)來設計室內環(huán)境。該軟件能夠適應Win-dows7、Unix等多種操作平臺。通過OpenGL軟件，能夠對船舶室內環(huán)境設計元素進行繪制，并將繪制結果發(fā)給Direct3D軟件對其實施最終處理[4]。而Direct3D軟件的主要作用是對船舶室內模型進行構建，并將構建的船舶室內模型以3ds格式保存。構建的船舶室內模型中包括編輯窗口與船舶室內場景數(shù)據(jù)。OpenGL軟件的船舶室內環(huán)境設計就需要以構建的船舶室內模型為依據(jù)來進行。其繪制需要將構建的船舶室內模型作為基礎，在模型上添加設計的室內環(huán)境元素，對船舶室內模型進行環(huán)境充實，以及進行布局操作，并以*.x格式將充實后的船舶室內模型保存至Direct3D軟件中，通過Direct3D軟件的引擎渲染模塊對設計結果進行渲染處理、編輯與輸出。

二、仿真實驗

1.實驗場景

為證明基于三維虛擬現(xiàn)實技術的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)的性能，對其進行實驗驗證。在實驗中，選擇某船舶對其進行室內環(huán)境設計。利用基于三維虛擬現(xiàn)實技術的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)對實驗船舶進行室內環(huán)境設計。在實驗中，獲取室內環(huán)境設計元素為20～40個范圍內的室內場景模擬用時數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)。為了避免本次實驗結果過于單一而缺乏對比性，將原有的2種船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)作為實驗中的對比系統(tǒng)，包括基于環(huán)境因子、基于布局優(yōu)化的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)。同樣利用這2種系統(tǒng)對實驗船舶進行室內環(huán)境設計，獲取室內環(huán)境設計元素為20～40個范圍內的室內場景模擬用時數(shù)據(jù)作為對比實驗數(shù)據(jù)。比較幾種實驗系統(tǒng)的室內場景模擬用時實驗數(shù)據(jù)。

2.結果比較

在室內環(huán)境設計元素為20～30個的范圍內，基于三維虛擬現(xiàn)實技術的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)與基于環(huán)境因子、基于布局優(yōu)化的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)的室內場景模擬用時數(shù)據(jù)對比結果?？芍?，在室內環(huán)境設計元素為20～30個的范圍內，基于三維虛擬現(xiàn)實技術的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)的室內場景模擬用時低于基于環(huán)境因子、基于布局優(yōu)化的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)的室內場景模擬用時。

三、結語

基于三維虛擬現(xiàn)實技術的船舶室內環(huán)境設計系統(tǒng)實現(xiàn)了室內場景模擬用時的降低，對于船舶室內環(huán)境設計效率的提升有一定意義。

參考文獻：

[1]胡元生，潘李，劉鑫.新型極地漁業(yè)科考船綠色船舶及環(huán)境保障系統(tǒng)設計[J].船海工程，2019（1）：297–300.

[2]任柯燕，馬松松，王書龍，等.基于Zynq和IEEE1451.2的室內環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].北京工業(yè)大學學報，2018，44（10）：40–50.

[3]史兵，段鎖林，李菊，等.基于無線傳感器網絡的室內移動滅火機器人系統(tǒng)設計[J].計算機應用，2018，38（1）：290–295.

[4]黃語燕，王濤，鄭鴻藝，等.福建省薄膜溫室溫濕度采集系統(tǒng)的實現(xiàn)及濕熱環(huán)境分析[J].江蘇農業(yè)科學，2019，47（23）：264–268.