船舶柴油機交互式虛擬現實仿真

上海海事大學商船學院 江國和 嚴迤

隨著現代科學技術的迅猛發展，虛擬現實技術開始廣泛應用于船舶、汽車等行業。船舶柴油機是船舶機艙中的主要設備，可以通過虛擬現實技術對其進行虛擬仿真，達到以計算機為中心，以顯示器為窗口，僅借助鼠標與鍵盤實現船舶柴油機全方位人機交互的目的。

一、虛擬現實技術的概念

虛擬現實（Virtual Reality, 簡稱VR），這一名詞是由美國科學家拉尼爾（Jaron Lanier）在20世紀中期提出的，近年來該技術在各個領域獲得迅速發展。VR是一項綜合集成技術，虛擬現實綜合了控制學、計算機圖形學、多媒體技術、傳感和顯示技術等，從開始興起，它就引起了全世界的廣泛關注。它最早開始于美國軍方的作戰模擬系統，從1990年初開始，這種新型的人機交互技術旨在建立一種更加友好的人機交互關系,使人機交互的界面從單一的視覺感知跨越到包括聽覺、觸覺等在內的多種感覺感知，給人身臨其境的感覺。

二、虛擬現實技術的特征

隨著科學技術的迅速發展，人們希望人類日常生活中的所有行為都能在信息運行處理的環境中得到體現。虛擬現實具有滿足人們這些需求的四個重要特征：是多感知性(multi-sensation)、浸沒性(immersion)、交互性(interaction)和想象性(imagination)。圖1說明了上述四者之間的關系[1]。

由于這些特性，用戶可以足不出戶，在各種虛擬現實設備幫助下，只需坐在家中就能享受“桂林山水”奇觀，感受過山車所帶來的驚險刺激。

圖1 虛擬現實技術要素和特征

三、船舶柴油機的虛擬現實仿真研究現狀

從20世紀80年代開始，國外已經展開了對船舶動力裝置的系統仿真。當時具有代表性的有英國AVEN公司為英國華什西航海學院建造的輪機仿真訓練器，以及挪威NORCON公司建造的輪機仿真訓練器[2]。

中國對虛擬現實的研究起步較晚，與發達國家相比仍有一定的差距。2001年清華大學、大連海事大學合作研制出了中國第一臺虛擬現實船舶輪機仿真訓練系統，系統中含有虛擬視景，可以通過虛擬集控室和虛擬駕控臺對虛擬機艙設備進行操作。另外，上海海事大學也一直致力于輪機模擬器的研究，目前已經開始著手在虛擬現實技術的基礎上開發第三代虛擬仿真輪機模擬器，并已取得了初步成效。

四、基于Quest 3D的船舶柴油機交互式虛擬仿真

在使用Quest 3D實現虛擬現實的過程中，主要操作流程通常包括基于3ds Max的場景建模、場景創建互動效果及虛擬現實瀏覽三個部分。

(一) 船舶柴油機三維實體建模

6S35MC機型的柴油機是MAN—B&W公司生產的可逆轉廢氣渦輪增壓式直流掃氣的超長行程大型低速二沖程船用柴油機,在國際商船上廣泛應用。建模過程采用該機型的參數，其部分參數如表1所示。

表1 6S35MC型船舶柴油機部分參數

若柴油機曲軸—飛輪結構使用3ds Max的三維模型作參考，在建模之前，需要首先通過圖紙、說明書以及現場圖等資料了解曲軸飛輪的構造和尺寸，然后分析曲軸飛輪的組成部分，其主要由曲軸臂、曲軸頸、飛輪等部分組成，再對各子模塊進行逐個建模，最后組裝整個曲軸飛輪結構。

1.打開3ds Max，單擊命令面板中的圓柱體，在畫圖窗口中拉出圓柱體，然后再根據收集的曲軸資料通過修改命令框進行修改。

2.單擊樣條線面板選擇矩形，在圓柱體所處的X—Y平面上拉出矩形，并打開捕捉開關，同樣啟動弧形命令，在矩形兩端節點分別用弧形接好，啟用一維方向對齊，否則影響曲柄銷在曲軸頸上的正確對應位置，然后啟動可編輯樣條線的焊接點融合[3]。

3.在修改器列表中找出擠出命令，通過旁邊的命令框輸入或者拖拉出具體的數據，通過俯視圖和前視圖進行觀察。

4.修改曲軸臂在連桿大端上的斜切口。

5.鏡像操作。選擇好曲軸臂和之前的圓柱體之后，單擊鏡像操作按鈕，將對應新曲軸臂和曲軸頸。

9.柴油機較佳的發火順序為1-6-2-4-3-5，二沖程機的發火間隔角度360°/6=60°，其效果如圖2所示。

圖2 曲軸效果圖

10.復制。拉伸曲軸頸，此時解組一個曲軸頸，橫向復制，準備后續推力盤、飛輪、卡位做準備。

11.畫出推力盤等模型。

12.飛輪盤的模型建立。

13.組合飛輪盤和曲軸。

14.對各部分進行顏色渲染，打開顏色命令窗口，分部分選擇合適顏色對應相應的系統部分結構[4]。

15.完成曲軸飛輪系統的模型建立，從不同角度顯示完成后的效果，如圖3所示。

圖3 曲軸—飛輪模型效果圖

其他3ds Max所建三維模型依此類似，其建模過程不再詳述。圖4為建好后的船舶柴油機三維模型。

圖4 柴油機整體三維模型效果圖

(二) Quest 3D三維場景創建

將3ds Max中建好的柴油機模型導入Quest 3D中，以進行機艙三維場景的創建。Quest 3D場景主要由3D物體、攝影機及燈光組成，3D場景的編輯也主要是對這三者的編輯，可以在動畫編輯器中編輯，也可以通過編輯通道結構中的相關通道來實現[5]。

關于燈光參數設計。進入燈光標簽視窗，對于所有的燈光都可以像編輯物體一樣去進行移動、旋轉或縮放的操作，在標簽視窗的頂部列出了燈光的屬性，在其中可進行燈光屬性、燈光顏色等方面的設置。全部模型導入完畢，燈光設置完成以后，整體效果如圖5所示。

圖5 全部模型導入完畢效果圖

(三) 添加漫游相機

漫游相機也稱“行走”相機，它的作用是以觀察者的視角在虛擬場景中進行漫游，用戶可以控制行進的方向和目的地。行走相機通道主要包括以下兩部分內容：

1.Camera Logic（攝像機邏輯）部分創建了一個邏輯結構，當用戶按空格鍵時，攝像機回到初始位置，這個是默認設置。

2.攝像機通道結構本身。其中，在攝像機運動矩陣中，用到了一個基類型為Vector（矢量）的Fast Collision Response（碰撞反應）通道結構來控制攝像機的位置。其通道下面的模塊主要用來控制攝像機的運動設置、重力、碰撞半徑的大小、碰撞物體、攝像機焦距和視野半徑等參數。

這里要注意的是，當所有參數設置完成之后，將Walkthrough Camera模塊連到Render通道上，而連接Camera Logic通道到Start3Dscene通道上。

在運動的按鍵控制上，采用默認設置。即：通過鍵盤上↑、↓、←、→鍵或者W、A、S、D鍵來進行“行走”，通過鼠標來確定視野方向。若要改“行走”速度，可以通過改變Movement文件夾里面的Speed模塊的值來實現，最終效果如圖6所示。

圖6 虛擬機艙行走漫游

五、結語

以往的輪機柴油機模擬器都是實物或者半實物輪機類型，而此次交互式仿真軟件開發是基于虛擬現實基礎之上，以虛擬場景中的模型作為控制對象，完全擺脫了對實物的依賴，從而實現了僅使用一臺電腦就可以對船舶柴油機系統進行虛擬仿真操作，在船員培訓以及船舶設計等領域的應用前景十分廣闊。

[1]Song J，Shi F Z.A Survey of Virtual Assembly System.Proceedings of SPIE，2003，5444：337-344.

[2]寧汝新，鄭軼.虛擬裝配技術的研究進展及發展趨勢[J].中國機械工程, 2005，8(16) ：139-144.

[3]瞿穎健,曹茂鵬.3ds Max 2010完全自學教程[M],人民郵電出版社,2010.

[4]火星時代.3ds Max 2010大風暴[M],人民郵電出版社,2010.

[5]路朝龍.Quest 3D從入門到精通[M],中國鐵道出版社,2012.