基于Maya和3dmax的船員航線考評系統構建

摘 要：運用Maya和3dmax軟件構建船員航線考試評估系統，使船員航線考試更加“安全、公正、便民”，對提高內河船員引航技能，保障水上交通安全具有一定的作用。

關鍵詞：Maya3dmax航線考試 考評系統

《中華人民共和國內河船舶船員適任考試和發證規則》（2010）規定船員取得《適任證書》后，申請延伸航區（線）的，應當通過所申請航區（線）的適任考試。這種適任考試稱為“航線考試”。“航線考試”應當通過對相應船舶、模擬器或者其他設備的操作等方式，對船員專業知識綜合運用、操作及應急等能力進行技能測評。

目前內河船員考試機構考試評估工作主要存在兩個方面的問題：一是使用傳統的實際操作考試模式，實船考試面臨著安全風險大、考試租船難成本高，而考試組織效率低，考試的公正、公平性受到質疑等問題。考試評估質量難以達到預期的效果，這一考試方式越來越不適應現代內河水運經濟的發展。二是國內少數海事機構開始嘗試使用航海模擬器取代實船考試，但目前已建成的航海模擬器系統都是以大型海船和海港為原型建立的系統，在本船模型、航道水域模型、電子海圖等多方面不完全適用于內河船舶和內河航道。

船員是水上安全的基礎，大批船員需要適應現代船舶引航要求，因此開發研制一種建設周期短、成本低、考試針對性強、試題維護簡便、易于推廣的船員航線考試評估系統已顯得十分必要而緊迫。

船員航線考評系統開發簡介

Maya是美國Autodesk公司出品的世界頂級的三維動畫軟件，應用對象是專業的影視廣告，角色動畫，電影特技等。Maya軟件具有工作靈活，易學易用，制作效率高，渲染真實感極強的特點。3D MAX是美國Autodesk公司旗下優秀的電腦三維動畫、模型和渲染軟件，全稱：3D Studio MAX。通過不斷的發展，Autodesk堅持不懈的努力不斷更新更高級的版本，逐步完善了燈光、材質渲染，模型和動畫制作。廣泛應用于三維動畫、影視制作、建筑設計等各種靜態、動態場景的模擬制作。3D MAX軟件特別適合大型場景的建模，可以實現模型效果的最優化。

江蘇省地方海事局和南通市地方海事局于2009年開始著手建立“船員航線考試評估系統”。船員航線考試評估系統涉及到大量的航道、建筑、水面、天空和船只等多種類型的模型，鑒于Maya和3D MAX兩個軟件的優點，在系統構建過程中模擬演示部分可以通過Maya來進行建模、貼圖、燈光、渲染，虛擬操作部分可以利用3D MAX來進行制作、合成，因此通過評審和論證，最終使用這兩個軟件，結合兩種軟件的優勢，建立了多樣性的模型，實現建模制作方面的互助互補。

該系統是基于MAYA和3D MAX技術將真實航道等比例建立3D(Three-Dimensional)模型，并針對模型設計虛擬船舶航行操作及演示，船員可以使用普通計算機鍵盤操縱場景中的對象，這種\"實時性\"導致了在虛擬場景中的人機\"可交互性\"，船員在海事船員電子考試計算機設備上進行操作，系統自動評定成績的考試評估方式，這使船員航線考試更加“公平、公正、公開、便民”。

該系統利用虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術及網絡技術較真實地再現船舶在內河航道內的航行，船員僅需要擁有一臺PC機就可以通過互聯網進行遠程學習、訓練，大大降低了傳統模擬器高成本和環境的限制。同時，借助該系統船員可以反復地進行虛擬操作及訓練，讓船員在較短的時間內得到實船長期累積才能得到的實際經驗，達到提高船員的引航技能的目的。

該系統采用瀏覽器／服務器(B／S)計算模式 ，由瀏覽器、Web服務器構成，這種設計模式的三維圖像具有立體感強、實時、交互性強等特點，更重要的是具有方便的可維護性和功能上的可擴展性。

船員航線考評系統命題設計要求

1、模擬操作題

船員必須掌握船舶定線制選擇航路的規定，操縱船舶在規定的通航分道或航道內行駛，即深水航道內供大型船舶使用的上行與下行通航分道，供小型船舶使用的推薦航路和供部分通航能力受限制的船舶（小型船舶或船隊）使用的特定航路。

通過實地采樣并結合航道資料，制作等比例三維場景，經過合成形成三維操作場景和動畫，最后制作三維場景操作控制（包括船舶的運動速度，方向，碰撞等），以此來考查船員是否能夠借助于助航標志和航道資料，正確選擇和設計航路。

2、模擬演示題

船員應當掌握船舶定線制需要特別注意的問題和操作，如特定航路的區域、航行警戒區的設置，船舶行駛單向航行控制的航段，有關橋區航路的專門規定，特殊水道航路的專門規定、專用航道的專門規定等，以及船舶定線制關于航行、避讓、停泊、責任等方面的要求。

根據命題內容制作三維動畫，由系統按照隨機規則動態加載到系統中進行評估，以實際半鳥瞰效果為基準。例如：船舶定線制規定了小型船舶橫越航道正確操作方法，選擇航段制作成3D動畫場景，設計并演示船舶橫越航道操作過程，考生觀看一段模擬演示后對這類操作的正確性做出判斷。

3、二維場景題

內河航道不同航段有針對性的航行注意事項，船員需要了解相應航段的航法要點，全面了解重要的航行安全信息，通過考試評估擴大船員的知識面，提高船員對航行資料搜集、分析及運用的能力。

對各航段航行注意事項進行分類研究和總結，繪制評估專用二維場景圖，通過photoshop對圖片中需要表現的元素進行處理形成命題圖。例如：將某一航段可供船舶錨泊的錨地進行處理，在場景圖中設置成若干錨地選項，船舶應當如何正確選擇錨地，讓考生做出正確選擇。

4、視頻分析題

內河航道由于自然條件的差異，出現個別航段狹窄、彎曲、險淺，某些航段受天氣、潮汐、水流等外界因素的影響特別明顯，船舶航行時需要采取特殊的方法，這類特殊航路航法重點研究，船員應當掌握特殊河段及特殊情況下的引航操作。

對某些特殊航段的特殊航法評估使用視頻題，根據命題內容實地攝像，并整理命題文字與答案，場景調色處理后形成預制命題視頻，用以演示船舶航行過程中各種情況。例如：三峽庫區定線制水域，由于庫區水域面積大，容易起霧；庫區航道兩山對峙，形成峽谷風，峽谷風風力較大，考生觀看一段視頻后根據題目要求做出正確判斷。

5、考試系統的管理

考試評估系統通過題庫管理模塊對題目的形式、難易程度、組卷模板等進行管理。試題維護時填寫相應的屬性（所屬航線、題型、難易度、是否必考、考察知識點等），以便系統根據組卷模板要求自動篩選試題。使整個考試相對公正和公平。

命題組合力求合理搭配，模擬操作題、視頻分析題、模擬演示題、二維場景題按照1:1:3:4的比例設置，同時根據題目難度設定分值，并保證試題的難易分布合理，讓船員考試成績較為準確地反映其實際操作水平，通過考試評估能客觀反映船員的適任能力。

船員航線考評系統的構建及技術實現

1、MAYA三維建模

建模需要對模型有深刻的把握和理解，首先將場景中水面、岸型、水上助航標志、岸上助航標志、河口、煙囪、水塔、碼頭、吊機、船舶及其他標志性建筑物的三維結構分作研究。根據提取的圖紙資料包括大比例尺航攝相片、航道圖形文件、建筑物件工程圖紙文件。利用 AutoCad進行校正，并且按照一定的比例分別建立模型。

2、模型的處理

模型建模完成之后，需要增加材質和燈光，提高整個系統的真實感。材質和燈光應該是緊密相連的，使其畫面更具有真實性。完成各種建筑、景觀、植被、河流模型的嵌入與擺放，空間的安排，光影效果的處理。并且針對天空和水面，添加一些特效，增強整個場景的景深效果。

3、剪輯合成

對素材處理后，形成目標文件的過程，叫做渲染。渲染是形成高品質的畫面重要環節，動畫場景以每一幀的形式渲染出來后，通過AE（After Effect）進行場景調色處理以及增加特效，使畫面更有沖擊力，最后導出視頻。

4、虛擬場景的建立

將MAYA建成的模型、場景導入3D MAX進行后期的處理，放置于特定的交互的 3D環境中，通過相關的插件將整個場景導入到虛擬現實專業的實時場景驅動開發軟件，設置漫游條件，包括：場景和自然界的布置、對象物的位置、觀察者和場景運動體的位置、場景旋轉方法、光照明及環境效果的制定。

結語

利用船員航線考試系統進行內河船員航線的考試評估，對提高內河船員引航技能，保障水上交通安全具有一定的作用。雖然，在視景真實立體感上有所欠缺，在評估船員的實際操作性方面存在不足，但這并不妨礙到考試評估的有效性、實用性。較之大型的模擬器及實船考試方式更加安全、公正、便民、低成本、易于推廣等巨大優勢。

(第一作者單位：江蘇省地方海事局)