基于Quest 3D 的LNG 船虛擬訓練系統開發

上海海事大學商船學院 李志球 胡以懷 欒泳立

據2013年中國海洋工程服務及油氣儲運技術發展論壇預測，為滿足進口LNG 海運需求，2020年后，我國LNG運輸所需船隊規模將擴大到60～100 艘，這將大大增加我國LNG 船員的需求量。而目前我國LNG 船員大多被派往國外接受培訓，培訓時間長、成本高。因此，如何在短時間培養出擁有過硬專業素質的LNG 船員，是影響中國LNG航運事業又好又快發展的一個關鍵因素。

實踐證明，讓船員到實船學習是培養LNG 船員最好的途徑，但由于培訓人數多、實船有定員、船期以及安全等多方面因素的限制，能夠上實船學習的人非常有限。大部分學員在傳統方式學習的過程中不能形成對LNG 船舶整體構造的清晰認識。LNG 船舶模擬器的使用可以提高船員培訓效果，使船員熟悉工作原理、設備和操作程序，增加他們的經驗和自信心，為以后在實船工作打下堅實的基礎[1]。

以Quest 3D 為虛擬引擎的虛擬現實技術可用于LNG船舶模擬器的開發。虛擬現實技術具有多感知、沉浸感、交互性等優越特征，能使學員有著聽覺、視覺、觸覺等多種體驗，達到身臨其境的效果，同時交互性以及協同操作等功能可使船員對LNG 船舶操作有著更進一步的認識和了解。LNG 船舶虛擬訓練系統的開發過程并不復雜，并且可以隨設備的發展而更新，這樣可大大減少教學和評估的成本[2]。

一、LNG 船虛擬訓練系統的開發流程及總體功能設計

目前，虛擬現實軟件有很多，主要包括Virtools、VR-Platform、Vega、Quest 3D 等，不同的軟件應用于不同的領域。由于Quest 3D 具有成熟的DirectX 引擎，比其他虛擬現實開發軟件具有更好的圖形渲染效果，并且在實現交互的編程方面提供了信道（channel）這一人性化的方式，容易上手操作，因此，選擇Quest 3D 作為LNG虛擬訓練系統的開發平臺[3]。

(一)LNG船虛擬訓練系統開發流程

LNG船舶虛擬訓練系統的開發過程主要包括四個階段，其具體開發流程如圖1 所示：

圖1 開發流程圖

1.前期準備階段：在進行開發之前，基于STCW 公約以及我國主管機關規定的關于LNG 船舶模擬器相關規定制定產品方案。同時，對實船進行素材采集、分析對象外觀特征以及確定對象動作真實順序。

2.建模階段：根據產品方案，利用3D MAX 完成三維建模和虛擬場景的構造。在建模的過程中，既要滿足視覺要求即真實感，又要適當減少模型的紋理精度、細節來保證系統的運行效率。

3.Quest 3D 平臺開發階段：將模型導入到Quest 3D中，利用該軟件DirectX 引擎編程優化，最終實現內部動作以及和外界的交互功能。

4.產品的發布階段：將編好的程序發布成需要的類型，并檢驗是否符合海事培訓要求。

(二)系統總體功能設計

LNG 船虛擬訓練系統包括船舶漫游、船舶設備虛擬拆裝、協同操作三方面內容。如圖2 所示，系統主要功能如下：速度（Speed）、重力（Gravity Value）、相機碰撞尺寸（In: Collision Spheroid Radius）等等。漫游時，由于相機的視角會隨著鼠標的光標轉動，若想以固定視角觀察時則很不方便，此時可以通過更改Rotation Vector 下的設置實現固定視角，在Mouse dX/dY 模塊上添加一個Channel Switch，再添加一個可以控制Value 值的命令。通過改變Value 值，實現相機視角轉動和固定之間的轉換。系統漫游如圖3 所示：

圖2 系統總體功能圖

LNG 船舶漫游功能：該功能能夠讓船員自由行走在虛擬船舶的任何位置，同時沉浸式虛擬現實設備（比如三維立體眼鏡、數據手套）的使用也讓船員達到身臨其境的效果，這些功能促使船員更快熟悉LNG 船管道分布走向、設備的布置以及相關專業操作。

船舶設備虛擬拆裝功能：該部分嚴格按照拆裝大綱要求進行設置，使拆裝過程達到規范。在選擇虛擬設備拆裝后，系統會自動進入拆裝界面。該部分包含拆裝視頻演示、拆裝練習和拆裝評估考試等內容。如圖3 所示，操作者可以根據需要選擇不同的功能，同時數據庫的連接可以對每一次練習和評估的成績進行記錄保存，通過查看功能可以查看操作步驟，包括正確和錯誤的操作。

協同操作功能：系統不僅可以單機使用，也可利用服務器實現多人在線，進行船舶不同崗位的角色選擇，通過創建LNG 船舶不同情境來實現對LNG 貨物操作、應急設備操作、消防演習以及機械故障的處理等多項主要船舶操作的練習和考核。培訓人員可以直觀地體驗由于自己的操作所造成的結果或引發的事故現象,真實感相較傳統訓練得到了極大的增強。

二、系統開發關鍵問題

(一)場景漫游

場景的漫游主要是利用漫游相機實現的。可以選擇1 person walkthrough camera（第一人稱漫游相機）或者3 person walkthrough camera（第三人稱漫游相機）。在具有角色選擇時一般選擇第三人稱行走相機。漫游相機參數的設定是影響漫游效果的最主要的因素，因此，為了使漫游達到最舒服的狀態，應注意調節一些漫游的參數，如

圖3 系統漫游圖

(二)虛擬拆裝

1.碰撞檢測

碰撞檢測是系統中不可缺少的部分。要對進行場景漫游的相機設置碰撞，防止相機穿過設備。在船舶設備虛擬拆裝部分，由于設備每個零件都是獨立又相互關聯的，當進行虛擬拆裝時，受訓者可以通過鼠標選取某一個零件，并按照自己的意圖進行任意移動，在此過程中，每個零件都可能與場景中其他部分發生碰撞，當發生碰撞時，選取的零件應該另外選擇其他路徑離開，而不是發生穿透現象。因此，每個零件的拆裝過程都需要考慮碰撞檢測功能，使虛擬拆裝過程更加逼真。

層次包圍盒方法是碰撞檢測中最常用的方法，主要包括球形包圍盒檢測法(Spheres)、坐標軸的軸向包圍盒 AABB(Axis-Aligned Bounding Boxes)檢 測 法、 帶方向的包圍盒OBB(Oriented Bounding Box)檢測法、散方向多面體(K—DOP)檢測法、固定方向凸包FDH(Flxed Directions Hulls)檢測法等等。由于OBB 包圍盒具有方向任意，能根據幾何對象的形狀特點緊密地包圍幾何對象，從而成倍地減少包圍盒及基本幾何元素間的相交測試，大大提高了算法的效率。因此，本系統采用該碰撞檢測算法[4]。

2.拆裝邏輯實現

船舶設備拆裝過程需要根據規范按照一定順序進行。在Quest 3D 中，編程進行觸發條件的設定，可使拆裝過程嚴格按照規范進行。在Quest 3D 中ChannelSwitch 模塊和有限狀態機（FiniteStateMachine）都可以用來實現程序的步驟化。ChannelSwitch 模塊適用于拆裝步驟比較少的情況，當步驟比較復雜時，該模塊容易造成編程混亂，并且在后續程序更新、改進過程中不易把握。有限狀態機是表示有限個狀態以及在這些狀態之間的轉移和動作等行為的數學模型，由于它能輕松實現復雜拆裝過程的編程、新步驟的添加以及后期程序升級，因此，本系統的拆裝過程均采用有限狀態機，可以大大提高開發速度和質量。有限狀態機共有三類子連接，連接到第一個子連接的Value被檢查以觸發狀態改變；第二個子連接代表實際的狀態，只有當前狀態被調用；第三個子連接可以在特定狀態改變時被觸發。同時，編輯界面上還有延時功能。編輯完成的編程場景如圖4 所示：

圖4 拆裝場景

3.數據庫連接

為了實現系統中操作步驟、成績、幫助等信息的保存和查詢，需要連接外部數據庫。在Quest 3D 中可通過MySQL 或ODBC 兩種方式創建數據庫連接，MySQL 對應的是DB Driver MySQL 模塊，而ODBC 對應的是DBDriver ODBC，里面封裝了各自的數據庫連接協議。兩個模塊都要連接到DB Source 信道上起作用。在利用DB Query、DBValue 和DB Text 等相關通道編輯好邏輯后，就可實現對數據的查詢讀取和存儲[5]。

(三)網絡發布

多人協同操作功能是基于網絡發布而實現的。只有Quest 3D 企業版或者VR 專業版才能進行網絡發布，實現多人在線協同操作以及船舶各部門虛擬操練等功能。在Quest 3D 中，主要利用Network Matrix、Network Text 、Network Value 和Network Buffer 幾個模塊來實現網絡發布功能。它們依次控制了網絡矩陣、網絡文本、網絡值和網絡緩沖信息。這些模塊主要控制網上數據傳輸，以確保數據正確地在客戶端(clinets)與服務器(server)之間傳送。服務器選用一臺專業圖形工作站作為服務器，上面存放LNG船舶虛擬培訓系統所有的程序以及數據。服務器可以為其他客戶機提供資源，客戶機不需要安裝Quest 3D 程序，可在登錄服務器后從服務器下載虛擬場景。每一個場景中都有不同的學員進行在線協同操作，并且實時反饋場景中的狀態到服務器以完成場景的同步，并最終實現場景的共同控制。

三、結語

利用LNG 船虛擬培訓系統對船員和相關人員進行培訓，可大大提高船員培訓效率；同時該系統具有重復利用性，能減少船員培訓成本。系統中的場景漫游、虛擬拆裝以及協同操作等功能不僅讓學員對LNG 船舶結構進行全方位的了解，更讓學員對設備維護、修理以及故障排除等技能有了全新的認識。同時，對LNG 船舶貨物操作、貨倉管路的惰化干燥、再液化等特殊操作進行進一步的熟悉和練習，實現對LNG 船舶操縱做到融會貫通，為今后在LNG 船工作打下堅實的基礎。

[1]王祎博,王建平.LNG船舶市場前景與我國LNG船員培養模式分析[J].中國水運,2011,11(11)：23-26.

[2]劉向群,吳彬.虛擬現實案例教程[M].北京:中國鐵道出版社,2012:5-8.

[3]王麗麗,趙曉春,任澤飛等.基于Quest3D的虛擬園林漫游系統的設計與實現[J].中國農學通報，2009,25(2):180-183.

[4]王偉,馬俊.基于OBB包圍盒的碰撞檢測研究與應用[J].計算機仿真,2009,26(9):46-50.

[5]路朝龍.Quest3D從入門到精通[M].北京:中國鐵道出版社,2012:203-228.