船舶機艙虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)研究

王海全 譚銀 朝劉勝

摘? 要：伴隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對其的研究已經(jīng)取得不少成果，并被逐漸應(yīng)用到各個領(lǐng)域之中。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到船舶機艙中，并構(gòu)建一套虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，用戶即可在逼真的虛擬環(huán)境中，進(jìn)行操作和自主漫游，獲得與實際操作中相似的體驗，并在虛擬場景中進(jìn)行交互操作，掌握基本的操作方法。本論文以虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)為研究切入點，對其在船舶機艙中的應(yīng)用，進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);仿真系統(tǒng);船舶機艙

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）07-0085-03

Abstract：With the further development of virtual reality technology，many achievements have been made in its research，and it has been gradually applied to various fields. The virtual reality technology is applied to the ship engine room，and a virtual reality simulation system is constructed. Users can operate and roam independently in the realistic virtual environment，obtain similar experience with the actual operation，and interact in the virtual scene to master the basic operation methods. In this paper，virtual reality simulation system is taken as the starting point，and its application in marine engine room is studied and analyzed in detail.

Keywords：virtual reality technology;simulation system;marine engine room

0? 引? 言

航海業(yè)對于推動國家發(fā)展，具有十分重要的作用。尤其是在當(dāng)前國際環(huán)境下，伴隨著全球貿(mào)易一體化的現(xiàn)象，船舶作為海上貿(mào)易和海洋防御支柱，得到了廣泛的重視。現(xiàn)階段，伴隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也應(yīng)運而生，并實現(xiàn)了快速的發(fā)展和應(yīng)用。如今，虛擬現(xiàn)實這一先進(jìn)的技術(shù)，已經(jīng)被應(yīng)用到船舶機艙中。利用該技術(shù)構(gòu)建一個與船舶機艙環(huán)境相似的虛擬系統(tǒng)，提高了操作人員的操作技能，并通過接近于真實的環(huán)境體驗，提高了操作人員的故障分析能力，并在特殊訓(xùn)練項目中發(fā)揮了突出的優(yōu)勢，具有不可替代的優(yōu)越性。

1? 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）是一種新型的科學(xué)技術(shù)，又稱之為靈境技術(shù)。而虛擬現(xiàn)實則是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建的虛擬世界，這種系統(tǒng)將計算機技術(shù)、仿真技術(shù)和傳感技術(shù)等有機融合為一個整體，并使其真正合成為一個集成系統(tǒng)。

具體來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要包括三個要素，即：

（1）給船舶機艙用戶提供一個逼真的虛擬世界，使其在虛擬環(huán)境中可進(jìn)行與實際相同的操作。

（2）用戶在該系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬操作的過程中，不會受到約束，可以自由地活動。

（3）用戶可以在這一虛擬的船舶機艙系統(tǒng)中，實現(xiàn)互動性操作。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特性，在利用該技術(shù)所構(gòu)建的船舶機艙虛擬系統(tǒng)中，也具備三個顯著特征，即：沉浸、交互和想象。所謂的沉浸就是用戶在虛擬現(xiàn)實情境中的投入程度。主要是指利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以給用戶提供一個沉浸的虛擬環(huán)境，使用戶在視覺、聽覺、嗅覺和觸覺各個方面均沉浸其中;交互則是用戶在虛擬現(xiàn)實中，可以借助類似真實的環(huán)境展開操作，并及時發(fā)現(xiàn)其中存在的故障，進(jìn)而獲得反饋信息等;想象則是用戶在虛擬的環(huán)境中，可借助相關(guān)的條件和參數(shù)等，進(jìn)行科學(xué)、合理的推斷和想象[1]。

2? 船舶機艙虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)總體設(shè)計

伴隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這一技術(shù)已經(jīng)在諸多行業(yè)和領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在軍事、航空航天等行業(yè)中發(fā)揮了突出的優(yōu)勢。目前，有些國家已經(jīng)開始將虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)應(yīng)用到船舶航海操作中。例如：加拿大的MARS系統(tǒng)、美國的VESUB工程，均充分利用了虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)。不同的是，MARS系統(tǒng)是將虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)應(yīng)用到深海開闊水域的操作訓(xùn)練中，VESUB工程則利用這一技術(shù)開展項目訓(xùn)練。

在船舶航海中，虛擬現(xiàn)實這一先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，不僅被應(yīng)用在訓(xùn)練系統(tǒng)中，還可以被應(yīng)用到航海系統(tǒng)工程的開發(fā)中。在本次研究中，筆者將虛擬現(xiàn)實技術(shù)充分應(yīng)用到船舶機艙中，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。該虛擬系統(tǒng)與真實的機艙環(huán)境相同，具備舵機設(shè)備，并且用戶在操作的過程中，還可以在其中自由漫游，進(jìn)而給操作人員提供一個真實的操作體驗環(huán)境，使得操作人員在虛擬系統(tǒng)中，不斷提高其操作技能，并提高其發(fā)現(xiàn)故障的能力[2]。

在具體進(jìn)行船舶機艙虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)設(shè)計中，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的設(shè)計水平，從以下四個方面給予了關(guān)注和研究：

（1）場景真實性。在設(shè)計船舶機艙虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的過程中，為了給用戶營造沉浸感、代入感，在接近于真實的場景中，展開科學(xué)、合理的推斷和想象，并產(chǎn)生交互行為，必須要設(shè)計一個逼真的機艙場景模型，具體到每一個設(shè)備、每一個管路，力求所有的局部細(xì)節(jié)均呈現(xiàn)在操作人員的面前。

（2）虛擬場景漫游。在設(shè)計船舶機艙虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的過程中，為了進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)員的自主性，必須要注重虛擬場景漫游，并且在設(shè)計中，還要添加碰撞檢測這一環(huán)節(jié)，使得漫游更加真實。

（3）要有顯示儀表和運動機構(gòu)的動作。在設(shè)計船舶機艙虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的過程中，為了實現(xiàn)用戶操作者的良好反饋，系統(tǒng)設(shè)計中必須要有顯示儀表和運動機構(gòu)的動作。

（4）友好的操作界面。在設(shè)計船舶機艙虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的過程中，為了便于用戶操作，必須要加強操作界面的設(shè)計。在具體的設(shè)計中，必須要確保用戶界面具備簡潔、美觀、易于理解、易于操作等特點。同時，在進(jìn)行設(shè)計的過程中，還必須要遵循相應(yīng)的操作程序，確保設(shè)計的界面功能完善、外觀和諧[3]。

3? 船舶機艙虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)具體研究

3.1? 虛擬機艙三維模型的建立

船舶機艙虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)最大的特點就是可以給用戶營造一種身臨其境的感覺，并與計算機生成的三維虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，因此，在進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，必須要給予有效的關(guān)注。鑒于人體在獲得外部世界信息的時候，均是通過視覺、聽覺和觸覺等器官進(jìn)行的，且以視覺為主。因此，在具體進(jìn)行設(shè)計的過程中，應(yīng)加強用戶視覺的現(xiàn)場感，注意以下幾個方面：

（1）結(jié)合人類視覺的生理特性，從人類視覺對亮度、彩色特性，以及視覺的分辨力和惰性四個方面進(jìn)行綜合考慮。

（2）在具體設(shè)計的過程中，必須要以人體雙目視覺為基本原則和出發(fā)點。

（3）設(shè)計的目的是生成一個立體的、虛擬的視覺圖像。

（4）在對虛擬機艙三維模型進(jìn)行設(shè)計的過程中，要以人類視覺的分時式、分路式為依據(jù)。

（5）在具體設(shè)計的過程中，還要對人類的立體視覺進(jìn)行相應(yīng)的測試和研究。

（6）在進(jìn)行具體設(shè)計的過程中，還要對影響人類視覺效果的因素進(jìn)行仔細(xì)的考慮。

結(jié)合人類經(jīng)驗和視覺實驗結(jié)果得知，人不僅在使用雙眼觀看景物的時候會產(chǎn)生立體感，即使在單眼觀看景物的時候，也可以對物體的前后深度進(jìn)行明確的辨認(rèn)，進(jìn)而具有一定程度的立體感。因此，在建立虛擬機艙三維模型的時候，必須要對三維尺寸和方向信息進(jìn)行精準(zhǔn)的獲得，只有做到這一點，才能確保用戶在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作的時候，能夠精準(zhǔn)地進(jìn)行交互。

3.2? 虛擬機艙漫游仿真系統(tǒng)

用戶如果想要在虛擬空間中，對虛擬環(huán)境中的任意一個角度進(jìn)行觀察，在對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建的過程中，必須要制造一個逼真的虛擬環(huán)境，并且將用戶在操作過程中的視覺、聽覺、觸覺一體化。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的過程中，一方面，必須要結(jié)合船舶機艙實際操作環(huán)境，創(chuàng)造一個逼真的仿真系統(tǒng)，進(jìn)而給用戶提供一個無限接近于現(xiàn)實的虛擬化場景，使其在操作的過程中，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺;另一方面，從船舶機艙的角度上講，船舶機艙中的設(shè)備繁多，且機構(gòu)復(fù)雜、管系縱橫交錯、艙柜層次迭起，只有通過構(gòu)建虛擬機艙漫游仿真系統(tǒng)，才能使得用戶在接近于真實場景的體驗中，不斷提高其操作技能[4]。

在具體進(jìn)行漫游仿真系統(tǒng)設(shè)計的過程中，可充分利用建模法的漫游技術(shù)。在使用該技術(shù)的時候，以圖形學(xué)為基礎(chǔ)，解構(gòu)船舶機艙中的實際情況，對各種設(shè)備、場景等進(jìn)行模擬，積極構(gòu)建三維模型，并利用所有設(shè)備的三維模型，構(gòu)建出一個虛擬環(huán)境和空間。同時，在構(gòu)建三維模型的過程中，還要結(jié)合所有現(xiàn)實物體的物理屬性，賦予模型物體材質(zhì)、光照等屬性;最后，用戶在進(jìn)行操作的過程中，還要對漫游者的位置、動作行為等進(jìn)行有效的控制，以幫助其達(dá)到漫游的效果。同時，在建模的過程中，還要注重模型的精確度、美觀性。因此，為了給用戶提供一個更加逼真的體驗環(huán)境，常常需要消耗較長的時間進(jìn)行建模。

另外，在構(gòu)建虛擬漫游系統(tǒng)的過程中，為了使得人在虛擬的模型場景中的操作行為、操作動作更加逼真，常常在虛擬環(huán)境中進(jìn)行碰撞檢測，進(jìn)而對人與人、人與物之間是否發(fā)生碰撞、是否需要足夠的穩(wěn)定和準(zhǔn)確進(jìn)行判斷。

3.3? 虛擬船舶駕駛臺和集控室仿真系統(tǒng)

虛擬船舶駕駛臺系統(tǒng)主要包含了控制室、駕駛臺、操舵儀、雷達(dá)等設(shè)備，在進(jìn)行虛擬船舶駕駛臺系統(tǒng)的設(shè)計中，可充分利用虛擬按鈕的方式，對駕駛臺進(jìn)行操作。虛擬船舶集控室則主要包括虛擬集控室、虛擬集控臺、虛擬配電板和虛擬儀表板等，操作者可以借助虛擬車中的虛擬油門桿、虛擬按鈕等對船舶柴油主機進(jìn)行操作。

3.4? 視景仿真系統(tǒng)的交互界面設(shè)計

在船舶機艙虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設(shè)計中，一方面，艙室漫游視景、船舶運行仿真視景、艙室破損浸水仿真視景，均需要有系統(tǒng)交互界面進(jìn)行控制;另一方面，鑒于船舶模型面數(shù)較多，艙室的模型較為復(fù)雜，因此必須要進(jìn)行視景仿真系統(tǒng)的交互界面設(shè)計。

在進(jìn)行具體設(shè)計的過程中，應(yīng)注意從以下兩方面進(jìn)行：

（1）系統(tǒng)主界面設(shè)計。在對系統(tǒng)的主界面進(jìn)行設(shè)計的過程中，可采用電擊按鈕、異步加載的方式，讀取系統(tǒng)后臺的數(shù)據(jù)，并從主界面進(jìn)入到二級主界面。當(dāng)返回到主界面的時候，則可以通過結(jié)束按鈕的方式，將程序進(jìn)行關(guān)閉。

（2）二級主界面設(shè)計。二級主界面主要包括船舶仿真視景、艙室破損浸水仿真視景、艙室漫游視景的操作界面，并利用按鈕切換、異步加載的方式，獲得不同的視景。同時，在切換的過程中，必須要保證不會對其他場景的數(shù)據(jù)讀取產(chǎn)生影響。

另外，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計完成之后，在進(jìn)行場景切換的過程中，極有可能會出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，進(jìn)而對用戶的體驗效果產(chǎn)生影響。基于此，可充分利用相應(yīng)的技術(shù)，從系統(tǒng)的CPU、GPU和內(nèi)存三個方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）CPU優(yōu)化。在虛擬系統(tǒng)中，每一次都要經(jīng)過系統(tǒng)CPU的渲染，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)中CPU負(fù)荷嚴(yán)重，直接降低了系統(tǒng)的運行速度。因此，可將大量的Draw Call對CPU進(jìn)行優(yōu)化，以減少其工作量。

（2）GPU優(yōu)化。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，GPU主要負(fù)責(zé)進(jìn)行圖像渲染。因此，在對其進(jìn)行優(yōu)化的過程中，可充分利用減少繪制數(shù)目、優(yōu)化顯存帶寬等方式，對其進(jìn)行優(yōu)化。

（3）內(nèi)存優(yōu)化。可充分引用DLL等方式，對內(nèi)存進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而對整個系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化[5]。

4? 結(jié)? 論

綜上所述，伴隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，通過該技術(shù)構(gòu)建一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，給用戶操作者提供一個身臨其境的環(huán)境，并使其在虛擬的環(huán)境中，掌握船舶機艙操作要點，不斷提升其操作水平。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 沈浩生，張均東，曹輝，等.船舶機艙三維視景仿真系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展 [J].中國水運（下半月），2016，16（6）：66-70.

[4] 趙巖.船舶機艙虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)研究 [J].科技展望，2015，25（14）：174.

[5] 李雯文.虛擬船舶機艙設(shè)備的運行操縱仿真研究 [D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2015.

作者簡介：王海全（1992.07-），男，漢族，山東榮成人，助理實驗師，本科，主要研究方向：船舶工程技術(shù)。