基于Unity3D的船舶機(jī)損事故虛擬仿真軟件的開發(fā)

夏禹 胡以懷 方云虎 張成 芮曉松

摘要：針對(duì)船舶機(jī)損事故在現(xiàn)實(shí)中難以重現(xiàn)的特殊性和危險(xiǎn)性，通過建立船舶機(jī)損事故現(xiàn)場(chǎng)模型，綜合利用3dsMax和Unity3D軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了船舶機(jī)損事故案例虛擬仿真軟件，以3D虛擬播放的方式展現(xiàn)各種機(jī)損場(chǎng)景。著重介紹了虛擬仿真軟件的開發(fā)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)過程，包括場(chǎng)景搭建和缸套碎裂制作、軟件特效開發(fā)、場(chǎng)景漫游和渲染設(shè)置等，簡化了UI界面設(shè)計(jì)和視頻播放自動(dòng)化的方法，起到了很好的船舶事故教學(xué)培訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞：Unity3D;船舶機(jī)損事故;3ds Max模型;虛擬仿真

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）10-0001-03

1 背景

在船舶系統(tǒng)中主機(jī)艙設(shè)備是事故發(fā)生率最高的部位，且其故障而引發(fā)的事故往往是較大事故，會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。2015年12月3日，東莞市海龍疏浚工程有限公司所屬的無動(dòng)力工程船“海龍浚1號(hào)”輪由“大躍”輪拖帶從山東濰坊駛往遼寧盤錦，在大連普蘭店灣附近水域拋錨避風(fēng)期間，“海龍浚1號(hào)”輪進(jìn)水沉沒。據(jù)調(diào)查，事故原因與該工程船遭遇大風(fēng)浪，通風(fēng)管沒有及時(shí)關(guān)閉，海水通過通風(fēng)管灌入機(jī)艙致使船舶儲(chǔ)備浮力喪失有關(guān)。另外還存在拖帶人員處置經(jīng)驗(yàn)不足、應(yīng)急預(yù)案不全面的問題。船舶機(jī)損事故類型多，成因復(fù)雜，應(yīng)對(duì)和處理難度大，受場(chǎng)地、時(shí)間等因素制約且不存在真實(shí)的船舶應(yīng)急事故處理的訓(xùn)練現(xiàn)場(chǎng)（如主機(jī)起火與機(jī)艙進(jìn)水等）。如果能建立一套船舶機(jī)損事故案例虛擬仿真軟件，用于船舶機(jī)損事故的案例教學(xué)和應(yīng)急訓(xùn)練，使船員通過事故案例重演的方式從以往的機(jī)損事故中獲得經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以掌握船舶機(jī)損事故現(xiàn)場(chǎng)情況和應(yīng)對(duì)處理流程，可以實(shí)現(xiàn)船舶應(yīng)急情況分析和機(jī)損事故處理工作的高效化、科學(xué)化，這也說明了開發(fā)一套船舶機(jī)損事故虛擬仿真軟件的必要性[2]。

近年來，針對(duì)船舶虛擬仿真系統(tǒng)的研究主要有：李治軍[3]實(shí)現(xiàn)了虛擬舵機(jī)艙室的漫游與交互;江恒[4]開發(fā)和設(shè)計(jì)了無人艇視景系統(tǒng);Ye Ting等[5]引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來構(gòu)建一套船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng);何雋[6]設(shè)計(jì)開發(fā)了船舶損管虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng);王雨生[7]實(shí)現(xiàn)船舶航行狀況模擬、船舶駕駛艙和輪機(jī)艙虛擬漫游，以及船舶入港?？康裙δ?陸冬青等[8]為船舶操縱的教學(xué)訓(xùn)練和科學(xué)研究提供了有效手段。

上述研究主要針對(duì)虛擬機(jī)艙和虛擬航行，較少涉及對(duì)多種類型船舶機(jī)損案例進(jìn)行虛擬仿真的研究。本軟件采用基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)技術(shù)[9]，并具有兼容操作系統(tǒng)、跨平臺(tái)發(fā)布并部署、人機(jī)交互功能強(qiáng)大等特點(diǎn)的Unity3D三維虛擬引擎[10]，側(cè)重船舶機(jī)艙各系統(tǒng)機(jī)損事故的情景再現(xiàn)，并利用語音播報(bào)配合文字提示與視頻播放三者同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)生動(dòng)、有效的船舶機(jī)損事故的虛擬仿真和案例教學(xué)。

2 軟件功能

2.1 功能概述

船舶機(jī)損事故虛擬仿真軟件分為機(jī)艙系統(tǒng)選擇、事故類型選擇、開始自動(dòng)播放三個(gè)部分，如圖1所示。機(jī)艙系統(tǒng)選擇按照船舶主機(jī)艙系統(tǒng)分為七個(gè)軟件模塊，分別是啟動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、換向系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)模塊下包含不同的事故類型選擇。選擇不同的故障類型可以開始自動(dòng)播放機(jī)損事故的發(fā)生經(jīng)過、分析與處理的流程，結(jié)合視頻解說還原事故現(xiàn)場(chǎng)。

2.2 整體設(shè)計(jì)

以一艘5000TEU集裝箱船為外形，使用3dsMax軟件進(jìn)行三維建模。同時(shí)建立船員與輪機(jī)長人員模型，進(jìn)行第一人稱行走動(dòng)畫制作。再搭建出主機(jī)艙、機(jī)房、駕駛室和集控室等三維實(shí)體模型，利用3dsMax自帶的粒子系統(tǒng)和大氣裝置制作真實(shí)機(jī)損事故現(xiàn)場(chǎng)。利用3dsmax的攝像機(jī)進(jìn)行畫面捕捉，必要時(shí)在攝像機(jī)上加上動(dòng)畫使捕捉的畫面更全面真實(shí)，使用渲染設(shè)置進(jìn)行.avi格式視頻導(dǎo)出。再利用Unity3D軟件，制作軟件的UI界面，構(gòu)造便于教學(xué)的操作方式。利用C#語言功能，提供文本、語音、視頻三者同步自動(dòng)播放的實(shí)現(xiàn)。

本機(jī)損事故案例虛擬仿真軟件中所包含的事故類型多，不同的故障類型所采用的仿真手法也不一樣?，F(xiàn)以冷卻系統(tǒng)中機(jī)艙大量進(jìn)水、缸套破裂和燃油系統(tǒng)中高壓油管燃油漏泄為例，闡述噴射粒子系統(tǒng)、水面特效和火焰特效的開發(fā)技術(shù)，以及渲染設(shè)置方法和自動(dòng)播放的實(shí)現(xiàn)方法。

3 場(chǎng)景搭建和缸套碎裂制作

場(chǎng)景搭建是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的基礎(chǔ)，整個(gè)軟件以海上航行的整個(gè)船體作為主場(chǎng)景，然后選擇主機(jī)艙作為機(jī)損事故發(fā)生的次場(chǎng)景。當(dāng)故障發(fā)生的部件在主機(jī)上時(shí)，可以將場(chǎng)景縮小到整個(gè)主機(jī)來減少不必要的場(chǎng)景給工作站帶來的負(fù)擔(dān)。首先使用3dsMax按比例完成主機(jī)艙的三維模型和內(nèi)部船用柴油主機(jī)模型的制作。制作主機(jī)缸套破裂時(shí)，先按Alt+Q隱藏缸套之外部分，選擇修改器中的ProOptimizer，對(duì)缸套頂點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，可以保留50%的頂點(diǎn)數(shù)，在減少面的情況下，布線和結(jié)構(gòu)基本沒有大的改變，然后創(chuàng)建切割用的平面調(diào)整大小放在產(chǎn)生裂縫的位置，將長度寬度分段加高到100，且添加Noise修改器，將比列調(diào)到80，強(qiáng)度Z調(diào)到40mm，選中缸套后使用ProCutter，將切割完的元素分離開來，保留切割后的碎塊，點(diǎn)擊拾取原料對(duì)象按鈕，選中平面，切割完成后點(diǎn)擊選擇按鈕避免再次切割，然后為左邊切割后的一半添加Bend修改器，調(diào)整彎曲角度為30度，可以鎖住尺寸編輯面板方便觀察，選擇Y軸為彎曲軸將方向調(diào)為90度，限制開裂上限為1000mm，即可拖動(dòng)Y進(jìn)行開裂。噪波平面和切割效果如圖2所示。

4 軟件特效

本軟件特效實(shí)現(xiàn)主要依賴與粒子系統(tǒng)，粒子系統(tǒng)最早在1983年由ReevesWT[11]提出，是當(dāng)今較好地模擬不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的算法之一，能較真實(shí)地還原火、水汽、煙、水流等自然現(xiàn)象。3dsMax粒子系統(tǒng)中粒子的行為參數(shù)包括粒子生成速度、粒子初始速度向量、粒子壽命、粒子顏色、在粒子生命周期中的變化以及其他參數(shù)等，可以模擬隨時(shí)間不斷產(chǎn)生、生長和消亡的動(dòng)態(tài)粒子效果。

4.1 噴射粒子特效

以機(jī)艙大量進(jìn)水故障類型中主海水泵出口閥體泄漏為例，選擇粒子系統(tǒng)‘Particle Systems中的超級(jí)噴射‘Super Spray并點(diǎn)擊按鈕在閥體漏水的位置創(chuàng)建，創(chuàng)建時(shí)選擇頂視圖確定噴射中心，通過旋轉(zhuǎn)180度調(diào)整發(fā)射器指向向下，創(chuàng)建完成后在修改面板調(diào)整粒子分布為軸擴(kuò)散30度和平面擴(kuò)散70度，選擇發(fā)射器隱藏，粒子百分?jǐn)?shù)為80%，粒子數(shù)量為70，發(fā)射從0幀開始到100幀結(jié)束，壽命為20幀，選擇粒子形狀為球體，粒子大小為40mm。即可渲染出0～100幀的漏水動(dòng)畫。漏水效果如圖3所示：

4.2 水面特效

為模擬機(jī)艙大量進(jìn)水特效，需制作艙內(nèi)水面緩緩上升的效果。在頂視圖創(chuàng)建一個(gè)平面，其寬度和長度略大于進(jìn)水艙，將長度與寬度分段為100，添加噪波‘Noise修改器，調(diào)整噪波參數(shù)，縮小比例為50，增大Z方向的強(qiáng)度為230mm，勾選動(dòng)畫噪波，設(shè)置頻率為1.0。如圖4a為機(jī)艙進(jìn)水特效，圖4b為排水特效。

4.3 火焰特效

由燃料著火所形成的火災(zāi)可分為自著火和強(qiáng)迫著火兩種方式。在主機(jī)艙場(chǎng)景中，燃油與可燃性氣體如甲烷、乙烷、丙烷、天然氣、氫氣等泄漏，遇金屬摩擦撞擊產(chǎn)生的火星，就可能生成氣體火，屬于強(qiáng)迫著火。以燃油系統(tǒng)中主機(jī)高壓油管燃油漏泄為例，模擬缸蓋上噴油器與高壓油管接頭處的一股火焰在燃燒，首先在輔助對(duì)象里下拉選擇大氣裝置‘Atmospheric Apparatus，點(diǎn)擊球體Gizmo后勾選半球在頂視圖確定燃燒中心點(diǎn)創(chuàng)建，然后在環(huán)境和效果面板中添加火效果，進(jìn)行火效果參數(shù)‘Fire Effect Parameters設(shè)置，選擇火舌，拉伸1.0，規(guī)則性0.3，火焰細(xì)節(jié)為5.0，密度為30，勾選煙霧，點(diǎn)擊拾取Gizmo對(duì)之前創(chuàng)建的半球進(jìn)行拾取，再對(duì)其添加FFD 4×4×4修改器，切換自動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)模式對(duì)其控制點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)畫制作，所渲染的火焰效果如下圖5所示。

5 場(chǎng)景漫游實(shí)現(xiàn)與渲染設(shè)置

本軟件場(chǎng)景漫游采用攝像機(jī)視野捕捉漫游，首先以機(jī)損部件為目標(biāo)創(chuàng)建一臺(tái)攝像機(jī)，在視圖選擇中選擇攝像機(jī)視圖，通過3dsMax界面右下角的縮放、視野、平移、環(huán)繞四個(gè)主要按鈕來調(diào)控?cái)z像機(jī)視野大小與方向，通過Ctrl+Alt+鼠標(biāo)右鍵來調(diào)整幀數(shù)條范圍，開啟自動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)捕捉來設(shè)置關(guān)鍵幀視角，可以簡單實(shí)現(xiàn)漫游動(dòng)畫。

本軟件所用的渲染器由3dsMax插件公司Chaosgroug開發(fā)的Vray渲染器[12]，是以插件的形式和3dsMax相匹配的，Vary自帶的燈光系統(tǒng)和材質(zhì)庫，后期渲染時(shí)與之配合會(huì)得到更快更好的渲染效果。在渲染設(shè)置窗口中選擇時(shí)間輸出為活動(dòng)時(shí)間段，輸出大小自定義為800×600，渲染輸出格式選擇.avi且設(shè)置如圖6所示，可以快速導(dǎo)出樣本視頻。成品視頻導(dǎo)出操作前面與樣本視頻操作一樣，只是在導(dǎo)出時(shí)選擇格式為Jpeg格式，設(shè)置如圖6所示，3dsMax會(huì)自動(dòng)按順序渲染成序列幀，在后期軟件如Alias、Premier或Ae等將當(dāng)前序列幀合在一起輸出成動(dòng)畫。

6 同步自動(dòng)播放的實(shí)現(xiàn)

在Unity3D中將軟件的UI界面制作完成后，為了達(dá)到語音、文字、視頻三者同步自動(dòng)播放的效果，我們以文字播放速度配合語音，以視頻播放速度配合文字，通過C#語言的功能來進(jìn)行協(xié)同控制。

6.1 語音播放控制

依據(jù)機(jī)損事故案例的發(fā)生經(jīng)過、分析與處理流程而錄制好mp3格式的語音播報(bào)，在Unity3D場(chǎng)景中的主攝像機(jī)‘MainCamera上建立AudioSource控件，勾選Loop和PlayOnAwake，將音頻拖入AudioClip框中。這樣剛進(jìn)入場(chǎng)景就會(huì)開始循環(huán)播放語音解讀。

6.2 文字播放控制

首先以text.text = ""來清空界面文本框內(nèi)的文字，文字開始播放的時(shí)間通過代碼yield return new WaitForSeconds（startPause）中的startPause來控制，文字彈出速度代碼設(shè)計(jì)如下：foreach （char letter in word.ToCharArray（））{

text.text += letter;

yield return new WaitForSeconds（letterPause）}

這樣就可以通過文字開始彈出的時(shí)間和一個(gè)一個(gè)彈出的速度來進(jìn)行和語音播放同步化控制。

6.3 視頻播放控制

利用在UI中的RawImage上添加VideoPlayer控件來進(jìn)行視頻播放控制，同樣勾選Loop和PlayOnAwake，AudioOutputMode選擇Direct模式，獲取場(chǎng)景中的對(duì)應(yīng)組件后，通過代碼rawImage.texture = videoPlayer.texture將VideoPlayerd的視頻渲染到UGUI的RawImage，賦值當(dāng)前視頻的播放時(shí)間后，通過videoTimeText.text = string.Format（"{0：D2}：{1：D2}：{2：D2} / {3：D2}：{4：D2}：{5：D2}"，currentHour， currentMinute， currentSecond， clipHour， clipMinute， clipSecond）把當(dāng)前視頻播放的時(shí)間顯示在 Text 上，通過代碼videoTimeSlider.value = （float）（videoPlayer.time / videoPlayer.clip.length） 把當(dāng)前視頻播放的時(shí)間比例賦值到 Slider 上，通過將當(dāng)前的 Slider 比例值轉(zhuǎn)換為當(dāng)前的視頻播放時(shí)間，代碼設(shè)計(jì)如下：private void SetVideoTimeValueChange（）{

videoPlayer.time = videoTimeSlider.value * videoPlayer.clip.length;

}

語音、文字、視頻三者通過同一按鈕控制播放與暫停代碼設(shè)計(jì)如下：

void OnSoundClick（）{

if （music.isPlaying） {

videoplayer.Pause（）;

text_playorpause.text = "播? 放";

Time.timeScale = 0;

music.Pause（）;

}

else{

videoplayer.Play（）;

text_playorpause.text = "暫? 停";

Time.timeScale = 1f;

music.Play（）;

}

}

這樣，我們?cè)谶x擇完機(jī)損事故案例點(diǎn)擊進(jìn)入場(chǎng)景后，就會(huì)自動(dòng)開始同步播放語音、文字和視頻，且通過一個(gè)按鈕控制三者同步開始與暫停。

7 結(jié)束語

船舶機(jī)損事故案例的主機(jī)艙內(nèi)部系統(tǒng)的場(chǎng)景搭建和機(jī)損部件模型建立，可以利用3dsMax構(gòu)建高效、高質(zhì)量的視頻渲染體驗(yàn)，且可以在Unity3D中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制語音、視頻、文字同步播放的效果。該軟件用于學(xué)員的船舶機(jī)損事故案例教學(xué)，可以節(jié)約教學(xué)成本，提高教學(xué)效果，有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡以懷，陳寶忠，鄒建軍.船舶機(jī)損案例的人為因素失誤分析[J].中國航海，2004（3）：3-6，17.

[2] 胡以懷.船舶機(jī)損事故分析及安全評(píng)估[M].北京：人民交通出版社，2013.

[3] 李治軍.基于Unity 3D的船舶舵機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)與研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2014.

[4] 江恒.基于Unity3D的無人艇視景系統(tǒng)開發(fā)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2016.

[5] Ye Ting，Chen Feng，Wang Wenqiang，et al.Design and Realization of Ship Fire Simulation Training System Based on Unity3D[C].IOP Conference Series： Earth and Environmental Science，2018，108（5）.

[6] 何雋.Unity 3D船舶損管訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2019，15（17）：246-248.

[7] 王雨生.基于Unity 3d的虛擬船舶仿真研究[D].舟山：浙江海洋大學(xué)，2019.

[8] 陸冬青，邱云明，辛金強(qiáng).基于Unity的船舶操縱運(yùn)動(dòng)仿真[J].船舶工程，2019，41（S2）：19-22.

[9] 謝韜.基于Unity3D粒子系統(tǒng)的游戲特效實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2015（24）：30-32.

[10] 趙艷坤.基于Unity3D的欒川三維城市地理信息系統(tǒng)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

[11] William T.Reeves.Particle systems—a technique for modeling a class of fuzzy objects[J].ACM SIGGRAPH Computer Graphics，1983，17（3）：91-108.

[12] 李利明.3DMAX中常用渲染插件特點(diǎn)解析[J].漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，12（2）：68-69.

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