基于U3D的船用培訓軟件設計

吳　正

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化分所， 上海 200135)

0　引　言

虛擬現實技術起源于20世紀60年代，是指借助計算機系統及傳感器技術生成三維環境，創造出一種嶄新的人機交互方式，通過調動用戶各種感官(視覺、聽覺、觸覺及嗅覺等)使用戶得到更加真實的體驗。隨著此技術的發展，不僅可作用于娛樂游戲等產業，在應用教育及成果展示等許多領域均有應用。工信部在2016年4月發布了《虛擬現實產業發展白皮書5.0》，其中講述了當前中國虛擬現實產業的發展狀況，并提出了相關政策，從國家層面上充分肯定虛擬現實產業。這里將逐步說明并搭建一套完整的船用教學系統，從真實的船舶數據著手，繪制高仿真度的船體模型，加以虛擬的海航場景和設備模型，提供一個上船工作的虛擬環境。該教學系統將對船員培訓及直觀展示船用設備，起到重要作用。

1　數字模型制作

1.1　船體模型制作

確定船型，得到相應的主尺度、尺度比和船型系數。以10萬噸貨油輪為例，分別計算船長L、型寬B、型深D及吃水d。

在船舶計算中通常要進行船體計算，計算內容包括橫剖面、水線面積及排水體積等面積與體積的幾何形心及面積的慣性矩，這類計算稱為船體計算，是船舶設計中的基礎工作。由于船體型線復雜，不能使用單一的解析式表達，計算一般根據型線圖，采用數值積分法進行。

圖1

圖2　船體模型效果圖

1.2　室內以及設備模型

船上集中控制的作業地點主要分為駕駛室、貨控室和集控室。其中相關設備裝置種類繁多，但重在人機交互，無需設計材質和電路，故采用控制回路外循環作為基本要求，由船體得到最終模擬反饋。

此處僅以貨控室為例，主要由液位測量設備和壓載水操控臺組成，其它設備可根據教學需求逐一制作。

各惰氣壓力表、液位值及高位報警和壓載調水系統見圖3，當使用者觸及相應設備時，可對此進行操作。

a) 貨控室CCR俯瞰圖(遠景)

b) 貨控室俯瞰圖(近景)

譬如改變壓載調水系統的相關閥門，船體由于壓載水改變傾斜度，左、右吃水會發生變化，使用者的視角也會相應傾斜，和真實的船上體驗非常接近。

圖4　視覺表現參數設定

1.3　環境背景模型

對于船用領域，環境背景一般為海洋，此處模型基于海浪頻譜和方向譜理論，但通過海風、海浪的各種變化，可模擬各種氣候現象，如潮汐、季風及颶風等極端氣象。

除去功能性參數，視覺表現參數設定見圖4。

2　Unity3D應用

Unity3D引擎是類似于Director,Blender engine,Virtools或Torque Game Builder等利用交互的圖型化開發環境為首要方式的軟件。其編輯器運行在Windows 和Mac OS X下，可發布游戲至Windows，Mac，Wii，iPhone，WebGL(需要HTML5)，Windows phone 8和Android平臺，也可利用Unity web player插件發布網頁程序，支持Mac和Windows的網頁瀏覽。

借助Unity3D平臺，加載已完成制作的船體和海洋模型,使用FBX格式導入并調整位置，可簡單地搭建出一個虛擬航行場景，然后添加CS編譯器加上物理效果，最后進行渲染(見圖5)。

圖5　虛擬航行場景

2.1　浮力計算

若要表現出接近真實的狀態，涉及到各種外界因素，其中影響力較大的是浮力，需對浮力進行精確計算。

船舶航行中，最直觀的即是四角吃水。但從測量角度一般由6個基準吃水點表示，艏吃水左(右)、舯吃水左(右)及艉吃水左(右)。為便于計算，以球體近似代替船體各部分產生的浮力，根據積分原則，當分割的球體越多，船體受力越趨向于真實(見圖6)。

圖6　船體吃水測量

估算作用力為浮力、風力、水阻和黏滯力的合力，由于風力與其他作用力不在同一坐標軸，需獨立計算。浮力等于水面下船體的重力，需通過程序計算水面下船體的體積與海水密度的乘積；水阻和船速成正比，黏滯力與水深和黏力系數成正比[2]。相關程序段如下。

86 public void UpdateForces(Rigidbody body)

87 {

88

89 if(Ocean, Instance ## null}

90 {

90 BuoyantForce=Vector3,zero;

92 DragForce=Vector3,zero;

93 Stickyness=Vector3,zero;

94 return;|

95 }

96

97 Vector3 pos=transform, position;

98

99 WaterHeight=Ocean, Instance, QueryWaves (pos.x, pos.z);

100

101 CalculateSubmersion (radius, pos.y);

102

103 float unitScale=GetUnitScale();

104

105 float Fb=DENSITY_WATER*unitScale*SubmergedVolume;

106

107 BuoyantForce=Physics.gravity*-Fb;

108

109 Vector3 velocity=body.velocity;

110

111 float vm=velocity, magnitude;

112 velocity=velocity.normalized*vm*vm*-1.0f;

113

114 DragForce=0.5f*dragCoefficient*DENSITY_WATER*unitScale*SubmergedVolume*velocity;

115

116 Stickyness=Vector3.up*(WaterHeight-pos.y)*Mass*stickyness;

117

118 }

2.2　VR鏡頭制作

用左、右眼分屏的獨立視角產生景深，造成立體感的視覺，再依靠重力感應的頭部追蹤技術感知頭部動作，當使用者在現實世界中移動，虛擬現實世界中的使用者也能同樣地移動。

當使用者向左看，頭部追蹤技術能識別該動作，這時硬件就會即時渲染出左邊的場景，即往左看能看到左邊的場景，往右看則能看到右邊的場景，不會發生場景跟著使用者移動的意外(見圖7)。

在畫面中添加2個攝像機，同水平線間距可設為可變化(用于瞳距校準)，再將2個攝像頭按左、右分布在畫面中央。由于雙眼視野透過球體透鏡，需對畫面進行反畸變處理。

當畫面紋理產生畸變時，計算每一個變化的像素點是一個巨大的工作量，設計采用相對稀疏的網格的頂點做畸變處理，該方案可減少直接計算的資源,讓GPU做大量的插值運算。不采用對每一個像素做處理,對網格中的每個頂點做計算，極大的減少了計算量(減少了3個數量級),且提升了性能。在Shader和Camera都可滿足以上計算要求。經過畸變處理，可獲得以下視角(見圖8)。

2.3　人機互動設計

2.3.1場景漫游

以使用者步行角度，需添加x軸向的前進、后退，y軸向的左轉、右轉相關程序段如下。

Vector3 Move = cam.transform.forward*input.y + cam.transform.right*input.x;

Move.x = Move.x*movementSettings.CurrentTargetSpeed;

Move.y = Move.y*movementSettings.CurrentTargetSpeed;

以使用者視野角度，需添加y軸向的坐看，右看，z軸向的抬頭、低頭，相關程序段如下。

Vector3 Move.y = Move.z*movementSettings.CurrentTargetSpeed;

Quaternion Rotation = Quaternion.AngleAxis(transform.eulerAngles.y - oldYRotation, Vector3.up);

圖7　數字視頻激電

a)前視圖

b)后視圖

2.3.2設備交互

當使用者進入到場景中的室內環境，視角中所有的儀表和按鈕都可設置為具有操作性，對應現實中的表現進行改變。

當程序默認從使用者雙目中心位置射出一根隱藏的射線，通過射線與設備相交產生觸發行為。

RaycastHit [] hits = Physics.RaycastAll ( transform.position, transform.forward )

根據要求可添加壓載水調平衡操作，通過對控制臺上壓載水控制系統的使用，模擬船體各壓載艙內的水位，同時影響到船體吃水位，產生傾斜角，使用者將得到真實的反饋表現。

同時，對控制臺上的液位測試系統也進行相應的互動。各艙的液位也可反饋在仿真儀表上，令使用者身臨其境，提高對設備使用的熟練度。

3　結　語

通過基于U3D的船用培訓軟件可提高上船工作者的環境認識度，在以后的船舶作業中，可快速掌握對相應設備的操作。用虛擬現實的設備可做到完全仿真的效果，對于一些具有危險性或價值巨大的設備，這種教學認知系統可提供安全可靠的學習環境。

參考文獻：

[1]劉紅. 船舶原理[M].上海：上海交通大學出版社，2009.

[2]朱珉虎. 阻力、功率和航速的估算(一)[J].中外船舶科技，2005(2)：36-40.