基于虛擬現(xiàn)實技術的LNG船舶仿真系統(tǒng)

時光志,周毅,李萌,張海濤，王瑛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

虛擬現(xiàn)實技術(virtual reality,VR)在船舶領域應用廣泛[1]，其交互性、沉浸感和構想性的特性可以較好地解決傳統(tǒng)教學、訓練方法無法解決的問題。相比其他船舶，LNG船的駕駛及貨物裝卸難度較大，為提高船員對LNG船舶的整體認知及應對各種海況的能力，有必要開發(fā)LNG船舶航行仿真系統(tǒng)。近幾年，國內(nèi)在虛擬船舶仿真領域的研究較多，主要集中在船舶運動數(shù)學模型開發(fā)、航行環(huán)境模擬等[3-5]。缺少對船舶主體和相關設備的仿真研究，也沒有將海上航行環(huán)境、船舶運動數(shù)學模型、船舶三維模型等有機結合起來。根據(jù)LNG船舶的實際航行情況，考慮圍繞三維船體和虛擬航行環(huán)境，開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實的LNG船舶仿真系統(tǒng)，以達到降低學習、訓練成本和風險，提高對LNG船舶整體認知的目的。

1 總體設計

LNG船舶仿真系統(tǒng)是一個人機交互平臺，利用最新的虛擬現(xiàn)實理論，通過剛體、流體建模及航行環(huán)境模擬等基于物理的復雜場景動態(tài)演化技術實現(xiàn)高沉浸感、高可信度的虛擬仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)的總體架構見圖1。

圖1 仿真系統(tǒng)總體架構

2 關鍵技術

2.1 船舶運動數(shù)學模型

考慮到船舶自身的運動問題和海面與船舶的相對運動問題[6]，采用固定坐標系和運動坐標系相結合，船舶運動的描述更符合實際航行情況。如圖2所示，為了簡化方程，將運動坐標系固定在船體上，該坐標系隨船體做多個方向的軸向運動。船舶在海平面理想狀態(tài)下的運動是沿著3個坐標軸的運動，在3個軸向上的速度向量分別表示為VGx，VGy，VGz，重心速度則用VG表示，3個方向的坐標向量因航行環(huán)境的影響，還會進行一定的旋轉運動，因此船舶航行運動是一個6自由度運動。

圖2 船舶運動坐標系

在建立運動模型前，需要對船舶運動過程中的兩個坐標系進行轉換[7]。完成船舶運動坐標系和固定坐標系的轉換后，為了系統(tǒng)數(shù)學建模的方便，假設船舶是一個強度足夠大的剛體，且運動環(huán)境為微幅規(guī)則波，海水運動時產(chǎn)生的動力頻率與船體的振動頻率無關。基于以上假設，得到船舶在海面上運動的運數(shù)學模型。

2.2 海浪建模技術

模擬船舶航行環(huán)境時，海洋約占整個場景的一半?yún)^(qū)域，其模擬效果好壞直接關系系統(tǒng)運行的環(huán)境真實感。對海水等流體建模時，考慮到水體作為一種流體，具有不可壓縮性，采用WCSPH(weakly compressible smoothed particle hydrodynamics)方法實現(xiàn)流體的建模。在屏幕空間能夠高效率的繪制粒子，但在屏幕空間進行繪制的同時也會帶來流體表面凹凸不平的問題[8]。針對此問題，利用三維拉普拉斯平滑處理對應位置上的流體粒子[4]，使粒子分布更加緊密，解決粒子排布不規(guī)律的問題。流體建模效果見圖3。

圖3 流體建模效果

2.3 柔性物體模擬

船上有錨鏈、纜繩等柔性物體，針對柔性物體的模擬，比較常見的方法有質(zhì)點-彈簧模型、PBD、ASM等。考慮到船舶系泊過程中纜繩的特點，采用PBD方法進行模擬。PBD方法可以直接控制對柔性體粒子的位置，具有簡單快捷、高效性、可控性等優(yōu)點[9]。PBD方法的原理是通過對約束條件進行控制，從而改變?nèi)嵝泽w中粒子的位置[10]。

根據(jù)纜繩的特點，在采用PBD方法的過程中主要考慮距離約束和彎曲約束。距離約束是指纜繩粒子在經(jīng)過積分計算后，粒子之間的距離會變化，此時約束移動粒子的位置，讓粒子之間保持1個確定的距離d。彎曲約束則是讓3個不在1條直線的相鄰粒子趨向1條直線，用以實現(xiàn)實際情況下纜繩的高抗彎曲度和低拉伸度的效果。

假設p按照某運動控制方程移動，且將每個約束函數(shù)單獨線性化，基于非線性Gauss-Seidel迭代求解約束方程，△p按照與原方向垂直的梯度方向▽pC(p)移動，因此令：

△p=λ▽pC(p)

式中：λ為拉格朗日乘子。之后求解由單個約束給出的非線性方程的常規(guī)迭代步長。從而得到單個粒子i約束后的位移向量。

△pi=-s▽piC(p1,…，pN)

式中，對約束C作用范圍內(nèi)的粒子,s的值都是恒定的。求出△p后，當前位置更新為p←p+△p。通過在新的位置評估▽pC(p)和C(p)，然后重復該過程。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 三維船舶建模

三維船舶建模主要建立LNG船舶整體和各典型區(qū)域的三維模型，主要工作分為2部分：一是建立船舶主體、上層建筑、駕駛室、儀器儀表、甲板設備等船舶駕駛部分的三維模型；二是建立LNG船舶貨物系統(tǒng)、動系統(tǒng)等船舶輪機部分的三維模型，實現(xiàn)LNG船舶貨物系統(tǒng)和動力系統(tǒng)的高精度仿真與運行模擬。而針對于船舶上每一個設備的建模包含兩個方面：形狀和外觀[11]。對設備形狀的建模主要通過點、線、面等來確定，物體的外觀則由表面紋理、顏色、光照系數(shù)等來確定。

使用多邊形建模方法對船舶進行建模，主要的工具是3D Studio Max，具體建模過程見圖4。建模過程中，首先在3D Studio Max中對模型進行烘焙、渲染得到模型的UV，提取出模型的UV圖，繪制出相應的紋理，然后保存帶有貼圖的圖片。將所有烘焙貼圖繪制好后，在3D Studio Max中，將貼圖重新賦給模型，查看效果再進行進一步修改完善，從而達到最佳效果。LNG船舶建模效果見圖5。

圖4 三維建模流程

圖5 LNG船舶三維模型

3.2 海洋場景模擬

為了模擬高可信度的船舶航行環(huán)境，基于前述流體建模技術，通過屏幕空間流體繪制來實現(xiàn)海洋場景的模擬，具體過程見圖6。

圖6 屏幕空間海洋場景模擬流程

在渲染海水的過程中，首先要獲得距離觀察者位置最近的流體自由表面，記錄下每個像素點到眼睛的距離，即為深度值；其次，對這些深度值構成的深度紋理圖進行雙邊濾波，得到過濾后的深度紋理；再次，將過濾后的深度紋理作為輸入值，根據(jù)平滑后的深度圖計算視點空間的位置和法向量，同時結合背景紋理和厚度紋理，進行光照計算并對流體進行著色，得到流體紋理；最后，將流體紋理和泡沫紋理作為輸入值，并在一個幀緩沖對象中渲染，得到最終的流體渲染效果見圖7，海水與船舶的相互作用效果見圖8。

圖7 流體的渲染效果

圖8 海水與船舶的相互作用

3.3 場景優(yōu)化

為了逼真展現(xiàn)船舶的海上航行環(huán)境，要求虛擬場景中的物體建模應更加精細，同時三維場景的實時繪制要更加高效。考慮到兩者之間的平衡，需要對場景做一定的處理，在不影響視景效果的前期下，提高場景繪制的效率。

3.3.1 模型結構優(yōu)化

模型結構的優(yōu)化是指對場景模型采用空間組織和邏輯組織相結合的結構，這樣既方便場景庫的編輯和維護，又可以保證整個場景的繪制效率。如圖9碼頭場景先根據(jù)模型所在位置將其安排到Area1、Area2、Area3和Area4 4個節(jié)點中，對每一個Arean，再根據(jù)模型的邏輯意義組織數(shù)據(jù)，例如,Area1節(jié)點下，樹和建筑物又被分成了Tree1和Buildings12個節(jié)點。

圖9 模型結構的優(yōu)化

3.3.2 LOD技術

LOD技術主要根據(jù)模型的距離和重要程度來劃分在場景中的顯示層級。根據(jù)視點的遠近，將模型顯示為一個細節(jié)層次不同的狀態(tài)，其模型的分辨率和精細度隨著漫游視點而改變。船舶場景中基本上每一個模型都采用了LOD技術，這樣場景既能提供足夠的細節(jié)，又能保持相對快速和穩(wěn)定的顯示。但在場景庫中應注意LOD的結構。圖10為一采用LOD的模型，model1、model2、model3、model4為模型的各級LOD，系統(tǒng)根據(jù)LOD的切入(Switch in)/切出(Switch out)距離選擇不同的等級。圖10a)為平層LOD結構，此時系統(tǒng)必須檢查每個LOD節(jié)點以判斷其是否顯示，效率較低。圖10b)為嵌套LOD結構，系統(tǒng)對此結構進行如下判斷：根據(jù)視點和模型的距離選擇顯示l1或l2(或什么都不顯示)；如果l1切入，系統(tǒng)選擇顯示l3或l4，如果l2切入，系統(tǒng)選擇顯示l5或l6；如果l1或l2切出，它的后代直接剔除。LOD采用嵌套結構，場景可以更加快速的剔除不在顯示距離內(nèi)的LOD，有效提高系統(tǒng)的運行效率。

圖10 LOD的結構

采用上述場景優(yōu)化技術實現(xiàn)的“301”船舶停靠碼頭時的模擬效果見圖11，場景多邊形數(shù)量在2 000萬以上，繪制速度不低于35幅/s。

圖11 場景優(yōu)化效果

4 結論

本文以“海洋石油301”LNG船舶為母型船，將海上航行環(huán)境、船舶運動數(shù)學模型、船舶三維模型等有機結合起來，研發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實技術的LNG船舶航行仿真系統(tǒng)，達到降低學習、訓練成本和風險，提高對LNG船舶整體認知的目的。

在后續(xù)研究中，將對系統(tǒng)運行效率、惡劣海況模擬等做進一步研究，使其成為LNG船舶仿真研究的科研平臺。