基于“海洋石油301”船的船舶數(shù)字化三維模型開發(fā)

王 瑛，周 毅，李 萌，朱永凱，袁同軍

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300452)

近幾年隨著我國在數(shù)字化領(lǐng)域的高速發(fā)展，數(shù)字化三維模型因能展示更多的信息數(shù)據(jù)和視覺真實(shí)性，在工業(yè)領(lǐng)域已逐漸取代二維模型成為發(fā)展主流。目前在船舶領(lǐng)域，數(shù)字化三維模型也被廣泛應(yīng)用，例如造船廠采用數(shù)字化三維建模[1]，可用于提高造船精度和裝配效率；航運(yùn)院校則可配合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行高仿真性教學(xué)培訓(xùn)[2]等。

但是，船舶數(shù)字化三維建模還存在一定難點(diǎn)，一方面數(shù)據(jù)量龐大，建模周期較長；另一方面三維模型更加注重建模的準(zhǔn)確性并體現(xiàn)原理性，所建模型的比例要與實(shí)船保持一致，虛擬船舶場景要符合造船工藝，管系連接要嚴(yán)格符合系統(tǒng)原理，且淡水管系、燃油管系、蒸汽管系要能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這些要求都增加了船舶數(shù)字化三維模型的難度。由于船舶設(shè)備繁多、管系復(fù)雜，三維模型的管理也較難。

本文以“海洋石油301”LNG運(yùn)輸船為目標(biāo)船，對建立船舶三維模型的全過程進(jìn)行詳細(xì)剖析。探討建模和多個(gè)優(yōu)化方法的局限性，從中選取最合適的建模手段和優(yōu)化方法，搭建與實(shí)船完全一致的三維模型，建立全船系統(tǒng)，使其可在船舶艙室、駕駛室及 船舶甲板間進(jìn)行虛擬漫游，快速進(jìn)入選擇的區(qū)域或 空間。

1 三維建模方法與步驟

1.1 建模方法

目前三維建模的方法分為曲面建模法、多邊形建模法、逆向建模法[3-4]等，從實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)逼真地模擬LNG船舶場景的需求同時(shí)兼顧硬件的限制和易操作性的角度考慮，船舶三維建模往往采用多邊形建模和細(xì)分曲面建模2種方法。

1.2 總體建模步驟

在進(jìn)行建模之前，針對船舶建模的難點(diǎn)確立了船舶幾何建模的幾條準(zhǔn)則，包括建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備、制作簡模、合理分布模型密度、合并相同材質(zhì)模型、避免出現(xiàn)2個(gè)面片間距過近、刪除不可見的面片等。還需要編制文檔，在文檔中每個(gè)設(shè)備作為1個(gè)單元，對這個(gè)單元進(jìn)行拆分，細(xì)化到具體部件，并明確該部件的功能及交互方式。

船舶數(shù)字化三維模型建模的步驟如下：①建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，為保證船舶三維模型的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，需將目標(biāo)船的技術(shù)規(guī)格書、設(shè)計(jì)圖紙、系統(tǒng)原理圖、設(shè)備清單等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提前收集整理；②建立系統(tǒng)模型庫，根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫和設(shè)備數(shù)據(jù)庫分別對船舶結(jié)構(gòu)和設(shè)備進(jìn)行建模以備調(diào)用；③組合模型，將船舶結(jié)構(gòu)與設(shè)備按照目標(biāo)船實(shí)際數(shù)據(jù)內(nèi)容將模型組合，并進(jìn)行反復(fù)校對；④添加標(biāo)識，對建立的船舶三維模型添加標(biāo)識字段以區(qū)分交互實(shí)體與非交互實(shí)體，對交互實(shí)體也需添加標(biāo)識以區(qū)分交互實(shí)體的類型。

2 船舶數(shù)字化三維模型

LNG船體可分為主船體和上層建筑兩部分，主船體由船底、舷側(cè)、上甲板圍成，其內(nèi)部空間又分隔成許多艙室；上層建筑主要有甲板室和船樓。因LNG船舶設(shè)備繁多、管系復(fù)雜、艙室眾多，以下僅從船舶整體、主要艙室、典型設(shè)備3個(gè)層次介紹船舶數(shù)字化三維模型的建立過程。

2.1 船舶整體數(shù)字化三維模型

LNG船舶整體建模流程如圖1所示。首先收集整理LNG船舶資料，編寫策劃文檔，編制模型制作及命名規(guī)則，在此基礎(chǔ)上制作船體白模；當(dāng)白模完成后，根據(jù)LNG目標(biāo)船的模型特點(diǎn)，結(jié)合具體數(shù)據(jù)為白模制作貼圖；貼圖完成后，對建模的燈光、陰影等元素進(jìn)行渲染，使模型更為逼真；最后將各個(gè)模塊進(jìn)行整合，完成LNG船舶建模。

圖1 三維船舶整體建模流程 Fig.1 Overall 3D ship modeling process

為了后續(xù)將模型及貼圖進(jìn)行分類，在滿足一定精度的前提下，應(yīng)盡可能減少模型數(shù)量。另外，按照命名規(guī)則對每個(gè)部件進(jìn)行命名，以便于后續(xù)的交互和完善。命名規(guī)則包括模型細(xì)化命名規(guī)則和材質(zhì)貼圖命名規(guī)則等。圖2是模型制作及命名規(guī)則。

圖2 模型制作及命名規(guī)則部分 Fig.2 Model making and naming rules

LNG船舶整體模型的各個(gè)制作階段如圖3所示。白模階段如圖3(a)所示，將白模上完顏色材質(zhì)如圖3(b)所示，制作完貼圖之后如圖3(c)所示，渲染之后的模型如圖3(d)所示。

圖3 船舶整體建模的各個(gè)階段效果 Fig.3 Effect of each stage of ship overall modeling

2.2 主要艙室數(shù)字化三維模型

LNG船舶艙室眾多，一些艙室如駕駛室、集控室、貨控室等非常關(guān)鍵，而這些艙室通?？臻g狹窄、設(shè)備眾多、有大量的儀器儀表，建模的工作量很大。如何更高效、逼真地繪制艙室，也是船舶數(shù)字化三維模型的難點(diǎn)。對于這些艙室，以模塊化思想為基礎(chǔ)，結(jié)合航海工作實(shí)際，按照位置細(xì)分或者按照設(shè)備各類細(xì)分。如圖4所示為船舶駕駛室的模塊化分區(qū)圖。

圖4 駕駛室模塊分區(qū) Fig.4 Cab module zoning

對整個(gè)駕駛室進(jìn)行模塊分區(qū)后，每個(gè)區(qū)域模塊分別建模，之后再集成為一個(gè)艙室，既方便建模，也方便后期的修改和維護(hù)。圖5為LNG駕駛室各區(qū)域模塊的模型及各區(qū)域模塊集成在一起形成駕駛室的效果，其中，圖5(a)為各區(qū)域模塊集成在一起形成駕駛室的效果，圖5(b)為海桌圖三維建模效果，圖5(c)所示為組合電臺，圖5(d)為區(qū)域模塊集成。

圖5 LNG駕駛室分區(qū)域建模 Fig.5 Zone modeling of cab

2.3 典型設(shè)備數(shù)字化三維模型

典型設(shè)備模型建模的優(yōu)劣直接影響后續(xù)的整體效果和交互體驗(yàn)。由于船舶設(shè)備眾多，現(xiàn)階段每一個(gè)設(shè)備都建立精細(xì)模型是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，在擁有準(zhǔn)確模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還要?jiǎng)澐殖鲈O(shè)備的優(yōu)先級，主次分明地建立模型，既可以提高運(yùn)行速度，又可以保證場景的漫游交互效果。

設(shè)備建模主要采用多邊形建模法。由于LNG船舶場景設(shè)備繁多、管系復(fù)雜，最終的船舶數(shù)字化三維模型面片總數(shù)會(huì)相當(dāng)巨大，必然影響三維場景的加載速度、畫面平均率、內(nèi)存占用率、交互延遲時(shí)間。因此，在建模過程中需盡量減少和優(yōu)化模型的面片數(shù)、邊數(shù)等數(shù)據(jù)信息。

合理地利用Photoshop和3D Studio Max可進(jìn)一步提高船舶建模的效果。利用3D Studio Max對模型渲染得到模型的UV，放到Photoshop中，繪制出紋理，然后保存圖片；再從3D Studio Max中的貼圖圖庫找到Photoshop處理過的圖片，并用3D Studio Max將貼圖重新賦給模型；最后查看效果并進(jìn)一步修改完善，直至達(dá)到效果最佳。典型設(shè)備建模流程如圖6所示。圖7為一些典型小設(shè)備的三維建模過程，從左到右分別是白模、貼圖模型和渲染模型。

圖6 典型設(shè)備建模流程 Fig.6 Typical equipment modeling process

圖7 典型小設(shè)備建模各個(gè)階段 Fig.7 Typical small device modeling stages

3 模型的優(yōu)化

船舶場景設(shè)備繁多、管系復(fù)雜，最終的船舶數(shù)字化三維模型面片總數(shù)將相當(dāng)巨大，必然會(huì)對三維場景繪制實(shí)時(shí)性(包括加載速度、畫面平均幀率、內(nèi)存占用率、交互延遲時(shí)間等)造成影響，若只通過縮減船舶數(shù)字化三維模型面片來提高場景的繪制效率，必然會(huì)降低模型的精度，在一定程度上會(huì)影響船舶的真實(shí)性。因此，必須采用有效的優(yōu)化方法使船舶場景既有真實(shí)感又有實(shí)時(shí)性。針對此問題，要做大量的優(yōu)化工作，如貼圖優(yōu)化、LOD技術(shù)、數(shù)據(jù)庫的高效組織、減少狀態(tài)改變、渲染優(yōu)化等。

3.1 貼圖優(yōu)化

為更好地展現(xiàn)船舶設(shè)備的局部細(xì)節(jié)，使整體效果更為逼真，同時(shí)節(jié)省面片數(shù)，需要通過相應(yīng)的技術(shù)手段對貼圖進(jìn)行優(yōu)化。如圖8(a)所示類似鏤空設(shè)備的建模，通常采用Alpha貼圖進(jìn)行優(yōu)化；圖8(b)展現(xiàn)大面積油漆面的設(shè)備，需要通過凹凸貼圖優(yōu)化。

圖8 貼圖優(yōu)化 Fig.8 Map optimization

3.2 多細(xì)節(jié)層次(LOD)技術(shù)

LNG船舶建模過程中，如果每個(gè)設(shè)備的每個(gè)細(xì)節(jié)全部展現(xiàn)在建模中，將占用大量資源降低運(yùn)行速度，因此現(xiàn)在廣泛使用LOD技術(shù)[5]，即多細(xì)節(jié)層次技術(shù)對模型中所有設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，對所展現(xiàn)的目標(biāo)物按照重要性和距離遠(yuǎn)近進(jìn)行歸納分類，降低對非重要或距離較遠(yuǎn)的目標(biāo)物刻畫細(xì)節(jié)和面數(shù)，從而提高建模整體效率和降低資源占用率。

圖9為本次建模對所有設(shè)備模型分類示例。 第1步先初步分為l1(重要或近距離)和l2(次重要或遠(yuǎn)距離)2個(gè)大類，將無需展示的直接剔除；第2步再根據(jù)第1步剩余2個(gè)分類進(jìn)一步細(xì)化為4個(gè)分類；最后分別按等級定義為model1、model2、model3、model4 4個(gè)類型，即model1為最需要細(xì)節(jié)刻畫的一類模型，model4為簡單展示的一類模型。

圖9 LOD嵌套結(jié)構(gòu) Fig.9 LOD nesting structure

3.3 場景數(shù)據(jù)庫的高效組織

虛擬船舶場景庫必須高效地進(jìn)行繪制，通常更新速率為每秒20幀以上，每幀的繪制過程可分為3個(gè)階段：更新、揀選和繪制。揀選過程中每一幀都需要對原始船舶場景數(shù)據(jù)庫訪問并提取，原始數(shù)據(jù)庫如過于隨意雜亂同樣會(huì)造成數(shù)據(jù)揀選時(shí)間延長，從而影響整體效率。繪制場景同樣如此，因?yàn)槔L制場景需要對揀選的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，提取過慢容易造成繪制過程出現(xiàn)丟幀或失幀。同時(shí)，揀選和繪制所耗費(fèi)的時(shí)間和速率要保持一定協(xié)調(diào)與平衡性，如果揀選耗時(shí)過長，會(huì)造成系統(tǒng)沒有足夠余量去提取數(shù)據(jù)，從而影響繪制整體效率。目前，三維建模中通常會(huì)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行整理，利用一定的空間和邏輯性對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重新組織，從而達(dá)到數(shù)據(jù)庫的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖10所示為一個(gè)船舶在碼頭的場景，該場景一共由Area1、Area2、Area3和Area4 4個(gè)分場景組成，已知場景中有2組樹(Tree)和2組建筑物(Building)，通過空間的方法組織數(shù)據(jù)，就需將處于Area1的一組樹和建筑物定義為Tree1和Building1，將處于Area4的一組樹和建筑物定義為Tree2和Building2，這樣在揀選和繪制某組樹和建筑物時(shí)系統(tǒng)將很快且精準(zhǔn)地訪問到該組數(shù)據(jù)。

圖10 空間和邏輯相結(jié)合的結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)庫 Fig.10 Structure of spatial and logical organization database

假設(shè)為了進(jìn)一步展示樹Tree1的局部細(xì)節(jié)，可對Tree1的數(shù)據(jù)再細(xì)分為t1和t2 2組數(shù)據(jù)分支，但是再細(xì)分的分支不宜過多，當(dāng)過多時(shí)同樣會(huì)造成Tree1數(shù)據(jù)異常龐大、系統(tǒng)忙于揀選使訪問和提取時(shí)間過長。所以還需要進(jìn)行邏輯分析，將數(shù)據(jù)相似的盡可能整合在一起，控制好分支的數(shù)據(jù)量。

由于LNG船舶三維建模每組設(shè)備和場景的模型數(shù)量巨大，如果在建模后期再進(jìn)行數(shù)據(jù)組織整理，會(huì)造成建模者調(diào)整異常艱難。筆者建議在建模初期合理組織每個(gè)場景數(shù)據(jù)庫，從而減少后期建模工作量。

3.4 狀態(tài)改變

LNG船舶三維建模過程中建模軟件所生成的圖形API所包含的顏色、材質(zhì)等元素信息始終被保存在緩存中，因累積將占用大量資源而影響建模繪制的效率，同時(shí)狀態(tài)改變過于頻繁會(huì)影響模型運(yùn)行速度。為此，需要將狀態(tài)改變進(jìn)行優(yōu)化處理。如圖11(a)所示，原object1數(shù)據(jù)中包含p1、p2、p3、p4、p5、p6共 6組數(shù)據(jù)，按順序會(huì)發(fā)生5次狀態(tài)改變。經(jīng)優(yōu)化整理后發(fā)現(xiàn)p1、p3、p5的數(shù)據(jù)信息相同，p2、p4、p6的數(shù)據(jù)信息相同，據(jù)此可優(yōu)化為圖11(b)兩類狀態(tài)，那么中間只發(fā)生1次改變即可，從而簡化了狀態(tài)數(shù)據(jù)的改變過程。

圖11 狀態(tài)改變 Fig.11 Status change

3.5 渲染優(yōu)化

為使所開發(fā)的船舶三維場景具有更強(qiáng)的真實(shí)性與材質(zhì)感，需要對所建模型和場景進(jìn)行渲染優(yōu)化[6]，通過補(bǔ)充光照、陰影及色彩等元素而使模型信息更為豐富。目前渲染的主要方法分為2種：一種為實(shí)時(shí)渲染法，即將所建目標(biāo)模型的光照、陰影等元素通過GPU實(shí)時(shí)計(jì)算后再渲染到模型上，其優(yōu)點(diǎn)是所建模型具有較高的實(shí)時(shí)性和流暢性，缺點(diǎn)是需要大量實(shí)時(shí)計(jì)算和編碼，并且對GPU等硬件要求高，故廣泛用于船舶外部甲板、動(dòng)設(shè)備等實(shí)時(shí)場景的渲染；另一種為靜態(tài)烘焙渲染法，即將光照、陰影等原始信息預(yù)先制成多張貼圖再渲染貼至目標(biāo)模型，其優(yōu)點(diǎn)是可減少實(shí)時(shí)渲染的計(jì)算量，缺點(diǎn)是會(huì)大量占用顯存且效果均為靜態(tài)，故廣泛用于各類船舶內(nèi)部艙室、靜設(shè)備等靜態(tài)場景的渲染。通過2種渲染方法的優(yōu)勢互補(bǔ)、相互結(jié)合，提高了船舶三維場景建模效率和經(jīng)濟(jì)性。

經(jīng)過上述步驟優(yōu)化后，LNG船舶數(shù)字化三維模型部分效果如圖12所示，最終的三維場景與實(shí)際場景幾乎一致。

圖12 數(shù)字化三維模型效果圖 Fig.12 Effect drawing of digital 3D model

4 結(jié) 論

本文通過梳理LNG船舶數(shù)字化三維建模流程和流程優(yōu)化方法，解決了以往船舶建模過程數(shù)據(jù)量體積龐大、系統(tǒng)流程性不足和缺乏真實(shí)性與實(shí)時(shí)性等容易出現(xiàn)的問題；同時(shí)，各種建模方法的選取與結(jié)合提高了建模和場景系統(tǒng)運(yùn)行效率，縮短了建模的周期，對后期LNG船舶仿真系統(tǒng)的建立提供指導(dǎo)與參考。■