基于VR技術的助航設施綜合展示系統的設計與實現

陳祎荻 譚麗麗

摘 要：虛擬現實（virtual reality，英文縮寫為VR）為“智慧航保”的發展提供了無限可能。本文針對傳統二維助航設施表現方法存在的局限性，提出了基于VR技術的三維助航綜合展示系統，對其設計思路與具體實現過程進行了詳細論述，通過助航設施VR綜合展示系統，提供更加直觀的航道和助航設施預覽手段，加深航海人員對將要到達的港口航道和航標的熟悉程度，進一步提高航行安全性。

關鍵詞：虛擬現實；助航設施

0 引 言

虛擬現實（VR）技術是20世紀末興起的一門嶄新的綜合性信息技術，是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的三維信息的人工環境——虛擬環境，用戶借助必要的設備，以自然的方式與虛擬世界中的物體進行交互，二者相關影響，從而使用戶產生一種親臨真實環境的體驗感。虛擬現實和三維、模擬仿真技術的發展給助航設施的表現和應用提供了新的方法和手段。在我國海上交通的許多領域，三維模擬、仿真技術逐步得到應用，但是在航道和助航設施模擬領域應用較少，尤其是高性價比、使用簡單、基于Web發布的手段比較缺乏。

天津港坐落于我國天津市濱海新區，港口現已建成船舶停靠泊位140余個，最大靠泊能力達到25萬t級，年吞吐量達到5.5億t。近年來，隨著天津港航運事業不斷發展，海上交通日益繁忙，航海人員對航標的依賴程度不斷加大，對航標助航信息服務提出了更新、更高的需求。如何使用三維模擬仿真技術向船舶駕駛人員（尤其是初次到達天津港的船舶駕駛人員）提供更加直觀的航道和助航設施預覽手段，以加深航海人員對將要到達的港口的航道和航標的熟悉程度，進一步提高航行安全性，具有十分重要的意義。為此提出建設“天津航標處助航設施VR綜合展示系統”，更好地為海上航行提供服務。

1 系統建設內容

主要研究內容包括建模所需數據的采集、數據建模，以及PC端和移動端的軟件功能實現。

1）數據采集

需要采集的區域范圍為天津港主航道及港池，涉及助航設施和其他設施。主要包括：燈塔1座、燈樁4座、導標14座、燈浮標35座、VTS中心1座、塔吊55座、大橋1座。所需其他資料包括：涉及的助航設施表格資料、涉及目標的照片、涉及的海圖資料、相關的航道視頻資料等。

2）建立模型

模型的建立是整個研究中最基礎、最繁瑣的工作，而助航標志模型的建立在其中占據最大的比重。構建航標三維模型的首要工作是查閱航標幾何資料，并做實地考察拍攝，從而確定應構建航標的模型種類、數量、位置，然后根據航標實際尺寸構建模型。在實際建模過程中，這些工作往往是不斷循環的，才能保證構建的航標三維模型既真實又準確。三維模型建模的工作流程如圖1所示。

3）三維航標模型庫

建立一個航標三維模型庫，對三維模型進行管理，為針對航標的三維應用打下基礎。航標模型庫主要包括：燈塔1座、燈樁4座、導標14座、燈浮標35座、VTS中心1座、塔吊55座、大橋1座、船舶模型1艘。

4）軟件開發

主要包括PC端軟件和移動端軟件開發，主要功能包括三維實景展示、三維實景漫游、助航設施信息展示、二維三維視角切換以及移動終端應用。

2 系統功能分析

天津航標處助航設施VR綜合展示系統功能上將實現場景模擬、場景疊加、巡航控制臺、航標信息管理、巡航路線管理、用戶管理、瀏覽航標燈光特效、航標模型預覽、書簽定位等功能，使天津航標處能夠實現對航標的點、線、面相結合的管理模式，從而使天津航標處對航標的管理更加科學高效，船舶航行更安全。

系統主要包括三維GIS平臺，助航設施VR綜合展示，系統管理這幾個功能模塊，如圖2所示。

1）三維GIS平臺

三維GIS平臺可直觀地反映天津港主航道及港池的三維實景和航道的三維輪廓，直觀地反映航道的航行條件和可通航區域，以及主航道上的所有助航設施的三維模型。如圖3所示。

三維GIS平臺還可以實現場景模擬功能，可通過多方視角對天津港主航道進行漫游，漫游方式包括天空、水面和水下等方式。水面方式可以模擬船舶進港的全過程，展示船長可以觀察到的海上和航標的視覺情況。要分別實現白天與黑夜環境下、霧天環境下的效果。白天可以看到所有航標的外型和顏色，夜晚可看到航標所發出的燈光或信號范圍見圖4、圖5。

2）助航設施VR綜合展示

在系統中，用戶可多視角查看具體的助航設施的三維模型，展示三維模型的靜態、動態信息以及設備的報警信息，如圖6所示。

（1）信息查詢

用戶在該模塊中可以查看航標的結構詳情，包括航標的定義、航標類型、結構等；還可查看航標的靜態信息，包括名稱、編號、燈光狀態、燈質、標體直徑、標體形狀、標體顏色等。

（2）模擬巡航

設定巡航路線，模擬船舶進出港過程，展示高空視角和船長視角可以觀察到海上和航標的視覺情況。

3 系統管理

在系統管理模塊中，可實現對用戶權限、書簽定位信息、巡航路線、航標信息、操作日志等功能的管理維護功能。該模塊除了對用戶信息、航標信息進行編輯外，還可對巡航路線進行編輯操作，具體可實現新增巡航路線、編輯巡航路線、查詢巡航路線、定位巡航路線、刪除巡航路線等操作。

4 系統測試

模擬船舶進出港的全過程，選擇船長視角巡航和高角度視角巡航，通過瀏覽可以掌握高角度和船長所在視線內觀察到的海上和航標的情況。測試效果達到了巡航要求。

5 結束語

將VR技術應用于助航設施綜合展示系統中，在展示天津港主航道及港池的助航設施和模擬船舶進出港過程中效果更加逼真，不僅提升了航海保障的信息化水平，還提高了船舶進出港的安全。這種基于VR技術的助航設施綜合展示系統為航保發展提供了新的思路，對“智慧航保”“數字航標”的發展具有重要意義。

參考文獻

[1] 許戈靜.3DS MAX建模及其虛擬現實中的應用[J].信息通信，2015，（10）.

[2] 張著，張天馳，陳懷友.虛擬現實技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2011.

[3] 劉鑫.3DS MAX中多邊形建模的理論與實踐研究[J].電腦編程技巧與維護，2016，（10）.

作者簡介：

陳祎荻，天津航標處航標信息科，工程師，（E-mail）chenyidi123@163.com