沉浸式載人深潛器布放交互仿真系統

梁民倉，尹 勇，李笑晨，張 勤

(大連海事大學 航海動態仿真和控制實驗室，遼寧 大連 116026)

沉浸式載人深潛器布放交互仿真系統

梁民倉，尹 勇，李笑晨，張 勤

(大連海事大學 航海動態仿真和控制實驗室，遼寧 大連 116026)

針對現有載人深潛技術培訓中采用實艇培訓的風險大、成本高、培訓周期長以及缺乏宣傳教育平臺的現狀，開發載人深潛器布放回收的三維交互仿真系統。采用3ds Max創建支持母船、深潛器以及A型架等結構的三維模型，利用Unity3D引擎實現深潛器布放回收過程的操縱交互，提出驅動A型架旋轉的液壓桿運動數學模型以及頭盔視線碰撞檢測代替鼠標懸停的物體揀選方法，最終采用虛擬現實頭盔作為視景顯示方式，逼真的模擬深潛器布放回收的整個過程。該仿真系統具有可交互性和高度沉浸感，可作為深潛器布放操作人員的培訓系統以及深潛技術的宣傳教育平臺。

沉浸式；載人深潛器；布放操作；宣傳教育平臺

0 引 言

載人深潛技術是進行海洋資源開發的必要手段，隨著陸地資源的過度開采以及國家制定的一系列海洋強國戰略，深潛技術的提升勢在必行，而載人深潛器是進行深海勘探的必備工具。虛擬現實技術的發展促進了操縱訓練模擬器在軍事以及民用機構中的普及，但相關的潛器模擬器功能并不完善，比較典型的有：美國伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）研制了基于網絡的分布式ALVIN模擬器，該模擬器主要給科學家提供一種有效的潛水培訓和任務預演，以延長在海底的工作時間；ALVIN模擬器的另一個用途是讓新的操作手熟悉面板布局和操作控制的位置，并不注重視景系統的研發。日本海洋科學技術中心（JAMSTEC）研制了“深海 2000”載人潛器的操縱模擬訓練器，該模擬器能夠模擬潛水器的運動性能、設備操作、報警性能和海底視野及環境條件，海底視野的模擬是用一定縮比的海底模型（山、谷、斷崖和平坦海底）及跟隨深潛器三維運動的攝像機系統[1]。青島海軍潛艇學院的潛艇模擬訓練系統[2]—一種水面航海模擬器其視景系統采用了虛擬現實技術，但整個視景系統較為簡單。中船重工702所和大連海事大學聯合開發的采用基于虛擬現實技術的載人潛水器運動虛擬仿真系統，是一套人在回路中的可視化仿真系統，可進行載人潛器操縱運動性能綜合可視化仿真。現有的仿真系統將船舶水上航行、潛器水中作業作為重點進行模擬，尚未涉及有關潛器布放入水和回收至母船的過程仿真，沒有實現潛器的布放回收和下潛作業的完整模擬[3]；并且現有仿真系統均是平面視景，沉浸感不強。

目前針對潛航員的培訓更多的還是采用實艇進行訓練，必然伴隨著風險大、成本高以及培訓周期長等缺點。“蛟龍”號作為我國第1臺載人深潛重大裝備，也是我國海洋高技術發展的典型代表，社會公眾對其認識程度尚且不夠，缺乏一個直觀、具體、鮮明、形象的宣傳平臺與科普教育平臺。針對上述問題，本文以“蛟龍”號為仿真對象，開發具有高度沉浸感的載人深潛器布放操作的三維交互仿真系統。

1 系統開發流程

本系統的開發首先采用3ds Max創建“蛟龍”號、支持母船以及A型架等相關結構的三維模型，并進行展UV操作，利用PS處理好的結構圖片進行貼圖，完成材質球制作。對需要交互的結構切割分離等操作使其成為獨立的模型，不需要進行交互的模型進行三角面優化，最后進行渲染烘焙生成最終的紋理貼圖[4]。

模型制作完畢，將模型保存為.FBX格式文件并導入到Unity3D中，添加水、天空盒和燈光等資源搭建交互場景，設計友好的交互界面并通過腳本的編寫實現交互功能。基本交互完成之后，需要將頭盔與Unity3D程序連接，基于頭盔開發沉浸式的視景系統[5]。如圖1為系統開發流程圖。

2 仿真系統的關鍵技術

系統的開發關鍵在于三維模型渲染、A型架的液

壓桿驅動模擬以及人性化交互模式下的頭盔視景的實現。

2.1 三維模型渲染

物理模型是三維交互仿真系統真實感的關鍵，在3ds Max中模型創建完畢之后，需要進行材質的制作，最終進行渲染烘焙，生成相應具有逼真的材質感和光影效果的紋理貼圖，決定模型視覺效果的就是貼圖的質量。

目前三維模型的渲染實現方式主要有2種：靜態烘焙與基于著色器的局部動態光照模型[6]。本文采用靜態烘焙的方式，即在完成三維建模工作后，對模型的結構進行合理的設計和充分的分析，進而進行UV展開（X，Y，Z對應三維空間的坐標，U、V、W對應三維空間的貼圖坐標，所以3ds Max中貼圖坐標被稱為UV坐標），展UV是模型和貼圖之間的紐帶，只有模型和貼圖坐標高度切合，最終渲染效果才更加逼真，此處以A型架主體部分為例，其UV展開如圖2所示。

最終將三維模型的原始材質紋理、光照效果預先渲染成如圖3所示的紋理貼圖（對應圖2的貼圖展UV坐標），在三維引擎實時渲染時三維模型即會具有真實的材質感與靜態的光照效果，基于靜態烘焙的渲染手段可減少動態光照效果的實時計算量，降低程序運行時計算機資源的占用。

最終渲染出的三維模型如圖4所示。

2.2 A型架液壓驅動的運動模型

蛟龍號深潛器在布放回收過程中最重要的運載工具就是A型架，該結構由液壓桿驅動，圖5為模型的簡化結構分析圖。

如圖5所示結構圖，A型架整體運動元件可分為三部分：主體AD段、S1和S2，由A，B，C，D四個連接點構成一個四邊形，整體是通過S1段的伸縮變換驅動元件圍繞基部的C，D兩點分別進行旋轉。圖中分別建立對應結構的局部坐標系，運動時主體AD段和AB段是固定連接，無相對運動，圍繞D點進行旋轉；S1段模型以B點為局部坐標原點，也是該部分的旋轉中心；S2段模型以C點為局部坐標原點，也是該部分的旋轉中心；S1和S2兩部分模型始終保持在同一直線上。

根據上述結構，提出A型架液壓驅動的運動模型，通過實時改變AD段的旋轉角度控制整個A型架的擺動，具體步驟如下：

A型架主體以D點為中心進行轉動，S1段模型局部坐標中心點B同步圍繞D點進行旋轉且模型Y軸朝向C點，S2段模型局部坐標中心C點位置不變，在自身局部坐標系下進行旋轉并保持模型Y軸朝向B點。所以只需要實時計算出B點的位置，并根據BC兩點連線的方向分別設定S1、S2段模型的朝向即可保證模型旋轉的同步性。設定D點進行旋轉變換的矩陣為SD，B點到D點坐標系轉換的平移矩陣為TB，B點繞D點旋轉的合變換矩陣為M[7]，則有：

2.3 頭盔視景的實現

頭盔也稱頭戴式顯示器，是可提供高度沉浸感視景的虛擬現實設備，佩戴時將視線完全遮蔽，該設備的使用給傳統上使用鍵盤鼠標方式造成不便，此時操作人員完全處于盲打狀態且鼠標不在頭盔視景中顯示，如果需要鍵盤鍵以及鼠標操作過多，必然需要移開頭盔，降低沉浸感體驗[8]。針對上述問題，需要基于頭盔開發只需配合簡單的鍵盤操作以及鼠標點擊的交互方式。

頭盔的軟件開發包中封裝了包括獲取頭盔攝像機位置、姿態和旋轉角度等參數的函數，所以可以直接以頭盔攝像機的視點中心為起點，向正前方發射一條射線，通過檢測射線與場景中的物體碰撞代替鼠標懸停的觸發函數，進而配合鼠標點擊的方式實現物體的揀選。頭盔射線碰撞檢測的簡化結構圖如圖7所示：

以從攝像機中心發射的射線表示視線，在投射的物體上繪制圖標表示視野中心，該圖標可根據需要進行修改，并且根據距離的遠近進行縮放以保證圖標看起來大小不變。當視線投射到需要交互的物體上時，物體高亮顯示或直接點擊鼠標實現鼠標操作。視點射線碰撞檢測的測試效果如圖8所示。

3 仿真系統的實現

根據仿真系統的開發流程圖，在3ds Max軟件中完成蛟龍號、母船、A型架和虛擬人等模型的創建以及貼圖的制作，將模型保存為.FBX格式文件并導入到Unity3D中進行整合，添加燈光、海水等資源搭建場景，利用引擎內置的UGUI實現系統UI界面的設計。仿真過程涉及到橡皮艇和ROV設備的布放以及船尾多個吊的配合，可通過點擊相應的操作菜單按鈕實現攝像機的瞬移，使得攝像機以適當的視角顯示將要操作的物體模型；A型架以及拖曳纜等布放主要設備是通過便攜式操作面板進行控制，系統運行時以小窗口的形式在左上角顯示或隱藏，可是用鼠標實現與面板按鈕的交互。

根據“蛟龍”號布放回收的實際操作規程，編寫腳本文件實現邏輯功能，最終連接虛擬現實頭盔進行視景輸出，完成“蛟龍”號布放操作的三維交互仿真系統。系統運行時的交互場景如圖9所示。

4 結 語

本文對“蛟龍”號布放回收操作仿真過程中涉及到的關鍵技術進行了研究，通過A型架結構的運動數學模型實現液壓桿驅動的模擬，并以射線的碰撞檢測方式實現頭盔視景的三維交互，利用編寫的腳本驅動場景，開發了沉浸式的蛟龍號布放操作交互仿真系統。其中A型架的驅動采用的是運動數學模型，下一步工作可基于物理模型進行模擬，但模擬效果滿足開發的需求；頭盔視景使得仿真系統具有高度沉浸感，提高了操作人員的體驗感。本文開發的仿真系統可用于深潛器布放操作員的認知和技能培訓，也可以作為深潛器蛟龍號的宣傳教育平臺，具有一定的工程應用價值。

[1]謝俊元, 馬嶺, 胡震. 載人深潛器運動操縱模擬[J]. 中國造船,2006, 47(2): 62–69.

[2]方亮, 袁書明, 杜紅松. 潛艇操縱模擬器綜述[J]. 艦船科學技術, 2010, 32(1): 141–143.

[3]李玉東, 胡大斌, 陳勇, 等. 潛艇操縱控制系統仿真平臺設計與實現[J]. 艦船科學技術, 2013, 35(5): 123–127.

[4]沈浩生, 張均東, 曹輝, 等. 船舶機艙三維視景仿真系統的應用與發展[J]. 中國水運, 2016, 16(6): 66–70.

[5]宋銀灝, 費允鋒, 孫廣毅, 等. 沉浸式微機電系統三維仿真及可視化[J]. 系統仿真學報, 2014, 26(9): 1956–1968.

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Immersion launching interactive simulation system of deep manned submersible

LIANG Min-cang, YIN Yong, LI Xiao-chen, ZHANG Qin
(Key Lab. of Marine Simulation and Control, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

For the high risk and cost, long cycle of training status and lack of publicity and education platform by using the real submarine training existing in the training of manned submersible technology, three-dimensional interactive simulation system was developed for the deep manned submersible launching and retrieve. Using 3ds Max to create three-dimensional model of the support ship, submersibles, A-frame and other relative structure, using Unity3D engine implements manipulating interactive of submersible launching and retrieve process, A mathematical model for the movement of the hydraulic rod which drives the A frame and the method of helmet sight collision detection instead of a mouse hover to choose object is put forward, using virtual reality helmet as a visual display method, the whole process is simulated realistically on the launching and retrieve of the submersible. The simulation system having a high degree of interactivity and immersion, it can be used as training systems of the submersible launching operator and platform of e publicity and education for the deep diving technology.

immersion；deep manned submersible；lauching operation；publicity and education platform

P643

A

1672 – 7649(2017)09 – 0081 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.016

2016 – 09 – 19；

2016 – 10 – 27

863課題資助項目(2015AA016404)；海洋公益性行業科研專項資助項目(201505017-4)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(3132016310)

梁民倉(1991 – )，男，碩士研究生，研究方向為航海動態仿真、交通系統虛擬現實技術等。