內河船舶操縱模擬器視景系統的建模與仿真

翟小明，尹 勇，任鴻翔

(大連海事大學 航海動態仿真與控制實驗室，遼寧 大連116026)

0 引 言

內河航運是現代綜合運輸體系中重要組成部分，它是連接內陸腹地與沿海地區的紐帶，在運輸和集散進出口貨物中起著重要的作用[1]。內河航運的空前發展對內河航運人才的要求越來越高，亟待建立一支高素質的內河船員隊伍保障內河航運發展。為確保內河船員隊伍高速度、高質量發展，交通運輸部海事局2007年下發了《中華人民共和國內河船舶船員實際操作考試辦法》，其中第二十一條規定“經主管機關認可，考試發證機關可采用模擬器開展實際操作考試”；2015年交通運輸部通過了《中華人民共和國內河船舶船員適任考試和發證規則》(交通運輸部令2015年第21號)，在文件中第三章第二十五條明確規定：“實際操作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，對內河船舶船員專業知識綜合運用、操作及應急等能力進行技能測評”；國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)在《STCW 78/95公約》和2010年最新修訂的STCW(International Convention on Standards of Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers)馬尼拉修正案中多次強調了船舶模擬器的作用，并就其在航海訓練中的應用做出了明確的強制性與建議性規定[2-4]。我國海事局也就該公約在《海船船員適任考試和評估大綱》以及“有關專業和特殊培訓考試和評估大綱”中對強制性和非強制性模擬器訓練提出了要求，這都為利用內河船舶操縱模擬器進行內河船員實操培訓和考試提供了依據。

船舶操縱模擬器已在航海教學和培訓中發揮著積極和顯著的作用，針對內河船員的培訓與考試可利用內河船舶操縱模擬器。內河船舶操縱模擬器作為航海模擬器的一種，其開發的關鍵技術集中體現在行為真實感、環境真實感和物理真實感3方面。其中環境真實感主要由視景系統所確定，由于視覺可為人們提供70%以上的有用信息，因此視景系統是模擬器操縱者獲取信息的最直接、數量最大的來源，視景系統的好壞己成為評價航海模擬器成敗的關鍵[5]。內河船舶操縱模擬器的視景系統應具備如下特點：符合河水流動現象的仿真；滿足視景系統仿真實時性要求。現有船舶操縱模擬器并不能完全適用于內河船員培訓，尤其是船舶模擬器的視景仿真系統環境真實感不夠真實，未體現河流流動效果[6]。筆者結合虛擬現實技術，構建高真實感的內河船舶操縱模擬器視景仿真系統。

1 內河船舶模擬器發展現狀

1.1 國外發展現狀

目前，國外航海模擬器主要由挪威的KongsbergMaritime公司，英國Transas公司以及荷蘭VSTEP等商業性公司研制與開發。

2014年11月，Kongsberg Maritime公司為適應將來更高級和綜合的航海仿真培訓，推出新一代船橋模擬器，被命名為K-SIM NAVIGATION[7-8]。K-SIM NAVIGATION視景系統采用Kongsberg開發的第七代視景系統SeaView R5，該系統基于OpenSceneGraph(OSG)三維圖形引擎開發，以Multigen Creator作為建模軟件。K-SIM NAVIGATION以高級的物理引擎和先進的水動力建模技術為特色，船舶、物體以及其他設備能像真實世界中一樣的體現和交互。視景系統的主要功能及特點有：SeaView R5視景系統可真實地體現船間、岸壁效應并且能提供不同天氣狀況(晴天、多云)、不同海況(風、浪、流)、不同時間(黎明、白天、夜晚)條件下的航行、操縱模擬；可真實地表現不同海況下的海面、深度可達16 m的三維海浪以及風驅動下的白浪運動。

2015年12月，英國船商公司為巴拉圭CAFyM中心安裝了該公司研發的最新航海操縱模擬器Navi-Trainer Professional 5000(NTPRO 5000)，這是船商公司首次為內河航行培訓機構安裝船舶操縱模擬器，該模擬器主要用于在巴拉那—巴拉圭內河航道上進行拖輪操縱的船員培訓[9]。TRANSAS為NTPRO 5000提供了一個全新的高度真實的視景系統，該視景系統展示全新的海面波紋，包括三維船首波、漂浮物體的干擾波、整個場景的折射、水面透明和光反射、白浪、泡沫及飛濺。NTPRO 5000也是第一個呈現動態陰影計算的航海模擬器，其冰區效果在視覺和運動模型上都完全滿足DNV標準。場景中能顯示天空、三維云、雨雪等視景特效；視景的水平視場角可達到360°，能模擬各個時間段的天氣變化以及不同能見度的天氣情況。

VSTEP成立于2002年，經過十幾年的發展，其開發的航海模擬器通過DNV GL 最高等級A級別認證，并滿足最新的STCW標準[10]。其核心產品NAUTIS航海模擬器配備了240°或者360°視景系統，可顯示不同時段、不同能見度、以及不同天氣的視景；性價比更高并開放接口方便用戶二次開發。

上述3家國外商業公司開發的最新航海模擬器都達到甚至超出STCW、DNV GL以及IMO Model course的標準，但從可查閱的資料分析，只有Transas公司為巴拉圭CAFyM中心安裝了一套NTPRO 5000航海模擬器用于內河拖輪船員培訓，該系列航海模擬器視景系統基于Seagull 6000開發，視景系統中的河水仍是基于海水建模方法生成。其他兩家都未提到關于內河船舶操縱模擬器的視景研發。

1.2 國內發展現狀

20世紀80年代末，以“引進、消化、自主研發”為基本路線，上海海事大學、大連海事大學、海軍大連艦艇學院以及武漢理工大學和集美大學等國內相關高等航海院校開始研發航海模擬器，經過多年發展，已取得重大突破[5]。

大連海事大學V.Dragon系列模擬器視景系統配備了360°視場角的投影，場景中主要有海面、陸地、碼頭及其重要設施、助航設施、典型建筑物、港區的城市背景、目標船等；海面能隨風向和風力的作用做相應的起伏運動；能生成不同能見度等級的霧景；能模擬日晝的連續變化以及雨、雪等[11]；整個畫面的更新速度高于30幀/s。該模擬器的視景系統以較低的成本為操縱者提供了較逼真、具有一定沉浸感的虛擬海上訓練環境。2010年后，大連海事大學在V.Dragon系列模擬器基礎上進行開發，先后為國內多家航海院校及培訓中心安裝用于船員培訓的內河船舶模擬器，但視景系統構建仍基于原有船舶操縱模擬器的海水視景系統，并沒有針對內河船舶操縱模擬器視景系統的特點進行建模和仿真，從發表的文獻來看，并未實現視景系統的建模與仿真[6]。

上海海事大學研制的綜合船舶操縱模擬器配備了較為完整的駕駛臺設備，具備雷達模擬器的全部功能[12]。該模擬器的視景系統配備12通道360度寬視場角大屏幕投影；場景管理采用Vega Prime平臺；可顯示白天與夜間及各種能見度的場景；可生成海浪并反映風向、風速的影響；可模擬船舶尾跡效果。2011年，上海海事大學為長江海事培訓中心安裝了國內第一套專門用于內河船員培訓、考試的內河船舶模擬器。隨后，上海海事大學為國內多家航海院校和培訓機構安裝了內河船舶模擬器，這些內河船舶操縱模擬器的視景系統也是基于其原有的航海模擬器視景系統搭建，不足以體現內河船舶操縱模擬器的視景系統環境真實感。

2 視景系統的建模

內河船舶模擬器的河流視景具有場景模型豐富、場景尺度大、場景的環境真實感要求高等特點。場景模型主要包括：河流場景、地形場景、建筑物場景以及岸界其他場景。因此，搭建內河船舶操縱模擬器視景系統首先要對場景模型建模，之后采用相關的可視化技術并選擇高效的三維渲染引擎進行場景繪制。

2.1 河流視景模型的建模

內河船舶操縱模擬器對仿真實時性有著較高的要求，視景的更新速率不低于30幀/s，河流視景在繪制過程中，每幀都需要與河流視景數據庫進行交互，因此良好的數據庫結構是內河船舶模擬器運行性能好壞的重要影響因素。內河船舶模擬器河流視景的數據庫采用樹形層次結構，該結構將視景中各個對象定義為獨立的模塊，利于用戶管理和操作；同時樹形層次結構也便于視景驅動程序對數據進行讀取。

筆者針對河流視景模型的建模主要基于Multigen Creator軟件，Multigen Creator三維虛擬仿真建模軟件擁有針對實時應用優化的OpenFlight數據格式，強大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，以及多種專業選項及插件，能高效、最優化地生成實時三維數據庫，并能與三維渲染程序良好結合，在視景仿真、模擬訓練、城市仿真、交互式游戲及工程應用、科學可視化等實時仿真領域有著廣泛地應用[13-16]。圖1為Multigen Creator創建視景數據庫的層次結構。

圖1 Multigen Creator軟件的層次結構Fig. 1 Hierarchical structure of Multigen Creator

Multigen Creator為用戶提供了內嵌VegaPrime的建模環境，構建三維河流視景等場景時，可實時、高效地編輯、管理多個模型，所見即所得的三維建模環境極大地提升了建模的效率和質量。

2.2 河流場景模型LOD結構

內河船舶模擬器河流視景仿真系統中，包含了數百萬的模型。在河流視景仿真過程中，可利用GPU加速場景模型的繪制速度。但圖形顯示卡的內存和計算能力有限，一旦加載過多的場景模型，并超出圖形顯卡的顯存或計算能力，仿真系統就會出現卡頓，即不能達到實時渲染。為提升內河船舶模擬器河流視景仿真系統的實時性，可利用細節層次(Level of Detail,LOD)技術創建河流場景模型以及渲染河流視景。LOD技術是應用最為廣泛的復雜三維場景表達技術之一，其基本思想是在不影響渲染外觀的前提下，根據實際情況選擇一種更為簡單的方式來表達要渲染的物體，減輕系統繪制場景的負擔。LOD技術使系統既能夠提供足夠的細節，又能保持相對較快速和穩定的顯示。筆者選擇的Multigen Creator建模軟件在創景河流場景模型時，通過LOD技術可創建包含不同細節版本的模型，可在河流視景的實時系統多邊形預算范圍內，有效地提升內河船舶模擬器河流視景仿真系統的渲染速度和環境真實感。圖2為筆者構建河流視景LOD時采用的Multigen Creator的嵌套結構示意。

圖2 Multigen Creator嵌套結構Fig. 2 Nested structure of Multigen Creator

2.3 河流流體運動建模

河流作為內河船舶模擬器視景系統的重要組成部分，其建模與仿真的結果直接影響內河船舶操縱模擬器的環境真實感。筆者在進行河流流體建模時，主要考慮河流流體的流動性特征，提出一種基于過程法構建河流流體運動模型。內河船舶操縱模擬器視景系統中的河流流動具有一定的方向性，且受真實的岸界限制。因此，筆者提出利用流函數的性質求解河流流動速度場。

流函數概念的提出是僅對不可壓縮流體的平面流動而言的[17]。不可壓縮流體做平面流動時必須滿足質量守恒方程[18]：

(1)

平面流動的流線微分方程為

udy-vdx=0

(2)

式(2)是式(1)成為某一函數ψ(x,y)全微分的必要且充分條件，即

于是：

代入到式(2)，兩者之和等于0。ψ稱為流函數。

關于流函數，有兩個重要性質：

1)沿同一流線流函數數值為常數，即ψ=C。

所以，通過任意曲線AB的流量：

圖3 流線與流量關系Fig. 3 Relationship between streamline and flow

2.4 河流流體運動仿真

根據流函數基本理論介紹可知，在二維平面計算流體速度場時，流函數的導數即為速度矢量分量。筆者在仿真河流流體運動過程中，利用該性質以及河道的真實邊界構建恰當的流函數，之后基于有限差分的方法求解河道內各點的速度場。圖4是基本河道示意，其中Q為兩河道邊界流線間的單位體積流量；ψL為河道左邊界流線的流函數值；ψR為河道右邊界流線的流函數值。

圖4 河道示意Fig. 4 Sketch map of river channel

為測試算法的實用性，筆者選取內河船舶模擬器中海道圖50000進行實驗。實驗所用的PC為：Intel Core 2 Duo CPU，2.8GHz，內存3G，顯卡為NVIDIA GeForce GT 630。圖5為基于筆者建模方法仿真的真實河道內河流流體速度場分布，其中曲線為河流流體的流線，箭頭為河流流體速度場。

圖5 河道內河流流體速度場分布Fig. 5 Velocity filed distribution of river flow in river channel

由圖5可見，沿著河道方向，河流流體速度場與流線相切，符合流函數的性質，能體現河流方向流動性，這也是河水區別于海水的一個重要特性。河流流體速度越靠近河道中間，速度越大；反之，越靠近河道邊界，速度越小。符合河流流體真實的真實流動情況。

3 視景系統仿真

通過分析比較現有的主流三維視景程序，筆者選取OSG作為河流視景的三維渲染引擎，主要基于3方面的因素：

1)現有的航海模擬器視景系統的開發工具為OSG。筆者選擇OSG作為河流視景的視景開發程序，可方便地與現有視景系統交互、節省開發時間和精力、較快捷地將現有內河河流視景集成到航海模擬器的視景系統。

2)OSG自身的特點和優勢。OSG是一個高性能的開源三維圖形引擎，不僅具有開源的特點，還包含了大規模場景的分頁支持，多線程、多顯示的渲染，粒子系統與陰影，支持多文件格式等功能。因此被廣泛的應用在可視化仿真、游戲、虛擬現實、科學計算、三維重建、地理信息、太空探索等領域。

3)OSG的LOD類支持Multigen Creator創建的最普遍的靜態離散細節層次節點，即它的每個子節點都是一種細節層次的表達方案。

視景系統仿真的源數據仍基于海道圖50000建模，河流流體速度場源于上述河流流體運動建模結果。實驗環境與2.4節一致，整個河流場景約為6×4 km2，河道長度約為12 km。圖6為視點逐漸靠近河流表面視景仿真效果。筆者在繪制河流視景系統時，充分利用GPU處理圖形場景的能力和優勢，在Shader中實現部分河流表面繪制以及反射關照等效果。圖6(c)為視點距河流表面較近時繪制效果，因只是一張靜態圖片，不能展現筆者算法實現的河流方向性流動效果。但可看出渲染的三維河流視景河流表面平滑、具有河流表面反射效果、場景范圍大。整個視景系統可極大提升內河船舶操縱模擬器的環境真實感。

圖6 場景繪制效果Fig. 6 Scene rendering

由圖6可見，筆者在視景系統建模及三維場景渲染時均采用了LOD技術，可控制場景的模型顯示細節，因此極大地提升了視景系統的繪制效率。表1給出了視點到河流表面不同距離情況下的場景模型數量以及繪制幀率。LOD技術的應用和GPU的優勢使得視景系統渲染過程中，場景模型數量自適應視點到河面的距離，減少了場景模型的繪制數量，提升了整個視景系統的繪制效率，在不同視點到河流表面的距離情況下，視景系統的仿真幀率始終保持在60 FPS，遠超過三維圖形渲染的實時繪制要求。

表1 不同視線距離下場景繪制結果Table 1 Results of scene rendering with different view distances

4 結 語

筆者主要研究了內河船舶操縱模擬器中三維場景模型的建模與仿真。選擇海道圖50000作為實驗的基礎數據來源，場景模型建模利用Multigen Creator軟件并采用LOD技術構建不同細節層次模型。基于過程法的河流流體運動模型可真實體現河流流動特性，最終基于GPU和三維渲染引擎OSG實現了內河船舶操縱模擬器河流視景系統的實時仿真。

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