基于“海洋石油301”船的船舶數(shù)字化三維模型開發(fā)

王 瑛，周 毅，李 萌，朱永凱，袁同軍

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300452)

近幾年隨著我國在數(shù)字化領(lǐng)域的高速發(fā)展，數(shù)字化三維模型因能展示更多的信息數(shù)據(jù)和視覺真實性，在工業(yè)領(lǐng)域已逐漸取代二維模型成為發(fā)展主流。目前在船舶領(lǐng)域，數(shù)字化三維模型也被廣泛應(yīng)用，例如造船廠采用數(shù)字化三維建模[1]，可用于提高造船精度和裝配效率；航運院校則可配合虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行高仿真性教學培訓[2]等。

但是，船舶數(shù)字化三維建模還存在一定難點，一方面數(shù)據(jù)量龐大，建模周期較長；另一方面三維模型更加注重建模的準確性并體現(xiàn)原理性，所建模型的比例要與實船保持一致，虛擬船舶場景要符合造船工藝，管系連接要嚴格符合系統(tǒng)原理，且淡水管系、燃油管系、蒸汽管系要能正常運轉(zhuǎn)。這些要求都增加了船舶數(shù)字化三維模型的難度。由于船舶設(shè)備繁多、管系復(fù)雜，三維模型的管理也較難。

本文以“海洋石油301”LNG運輸船為目標船，對建立船舶三維模型的全過程進行詳細剖析。探討建模和多個優(yōu)化方法的局限性，從中選取最合適的建模手段和優(yōu)化方法，搭建與實船完全一致的三維模型，建立全船系統(tǒng)，使其可在船舶艙室、駕駛室及 船舶甲板間進行虛擬漫游，快速進入選擇的區(qū)域或 空間。

1 三維建模方法與步驟

1.1 建模方法

目前三維建模的方法分為曲面建模法、多邊形建模法、逆向建模法[3-4]等，從實時動態(tài)逼真地模擬LNG船舶場景的需求同時兼顧硬件的限制和易操作性的角度考慮，船舶三維建模往往采用多邊形建模和細分曲面建模2種方法。

1.2 總體建模步驟

在進行建模之前，針對船舶建模的難點確立了船舶幾何建模的幾條準則，包括建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準備、制作簡模、合理分布模型密度、合并相同材質(zhì)模型、避免出現(xiàn)2個面片間距過近、刪除不可見的面片等。還需要編制文檔，在文檔中每個設(shè)備作為1個單元，對這個單元進行拆分，細化到具體部件，并明確該部件的功能及交互方式。

船舶數(shù)字化三維模型建模的步驟如下：①建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，為保證船舶三維模型的準確性和真實性，需將目標船的技術(shù)規(guī)格書、設(shè)計圖紙、系統(tǒng)原理圖、設(shè)備清單等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提前收集整理；②建立系統(tǒng)模型庫，根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫和設(shè)備數(shù)據(jù)庫分別對船舶結(jié)構(gòu)和設(shè)備進行建模以備調(diào)用；③組合模型，將船舶結(jié)構(gòu)與設(shè)備按照目標船實際數(shù)據(jù)內(nèi)容將模型組合，并進行反復(fù)校對；④添加標識，對建立的船舶三維模型添加標識字段以區(qū)分交互實體與非交互實體，對交互實體也需添加標識以區(qū)分交互實體的類型。

2 船舶數(shù)字化三維模型

LNG船體可分為主船體和上層建筑兩部分，主船體由船底、舷側(cè)、上甲板圍成，其內(nèi)部空間又分隔成許多艙室；上層建筑主要有甲板室和船樓。因LNG船舶設(shè)備繁多、管系復(fù)雜、艙室眾多，以下僅從船舶整體、主要艙室、典型設(shè)備3個層次介紹船舶數(shù)字化三維模型的建立過程。

2.1 船舶整體數(shù)字化三維模型

LNG船舶整體建模流程如圖1所示。首先收集整理LNG船舶資料，編寫策劃文檔，編制模型制作及命名規(guī)則，在此基礎(chǔ)上制作船體白模；當白模完成后，根據(jù)LNG目標船的模型特點，結(jié)合具體數(shù)據(jù)為白模制作貼圖；貼圖完成后，對建模的燈光、陰影等元素進行渲染，使模型更為逼真；最后將各個模塊進行整合，完成LNG船舶建模。

圖1 三維船舶整體建模流程 Fig.1 Overall 3D ship modeling process

為了后續(xù)將模型及貼圖進行分類，在滿足一定精度的前提下，應(yīng)盡可能減少模型數(shù)量。另外，按照命名規(guī)則對每個部件進行命名，以便于后續(xù)的交互和完善。命名規(guī)則包括模型細化命名規(guī)則和材質(zhì)貼圖命名規(guī)則等。圖2是模型制作及命名規(guī)則。

圖2 模型制作及命名規(guī)則部分 Fig.2 Model making and naming rules

LNG船舶整體模型的各個制作階段如圖3所示。白模階段如圖3(a)所示，將白模上完顏色材質(zhì)如圖3(b)所示，制作完貼圖之后如圖3(c)所示，渲染之后的模型如圖3(d)所示。

圖3 船舶整體建模的各個階段效果 Fig.3 Effect of each stage of ship overall modeling

2.2 主要艙室數(shù)字化三維模型

LNG船舶艙室眾多，一些艙室如駕駛室、集控室、貨控室等非常關(guān)鍵，而這些艙室通常空間狹窄、設(shè)備眾多、有大量的儀器儀表，建模的工作量很大。如何更高效、逼真地繪制艙室，也是船舶數(shù)字化三維模型的難點。對于這些艙室，以模塊化思想為基礎(chǔ)，結(jié)合航海工作實際，按照位置細分或者按照設(shè)備各類細分。如圖4所示為船舶駕駛室的模塊化分區(qū)圖。

圖4 駕駛室模塊分區(qū) Fig.4 Cab module zoning

對整個駕駛室進行模塊分區(qū)后，每個區(qū)域模塊分別建模，之后再集成為一個艙室，既方便建模，也方便后期的修改和維護。圖5為LNG駕駛室各區(qū)域模塊的模型及各區(qū)域模塊集成在一起形成駕駛室的效果，其中，圖5(a)為各區(qū)域模塊集成在一起形成駕駛室的效果，圖5(b)為海桌圖三維建模效果，圖5(c)所示為組合電臺，圖5(d)為區(qū)域模塊集成。

圖5 LNG駕駛室分區(qū)域建模 Fig.5 Zone modeling of cab

2.3 典型設(shè)備數(shù)字化三維模型

典型設(shè)備模型建模的優(yōu)劣直接影響后續(xù)的整體效果和交互體驗。由于船舶設(shè)備眾多，現(xiàn)階段每一個設(shè)備都建立精細模型是難以實現(xiàn)的。因此，在擁有準確模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還要劃分出設(shè)備的優(yōu)先級，主次分明地建立模型，既可以提高運行速度，又可以保證場景的漫游交互效果。

設(shè)備建模主要采用多邊形建模法。由于LNG船舶場景設(shè)備繁多、管系復(fù)雜，最終的船舶數(shù)字化三維模型面片總數(shù)會相當巨大，必然影響三維場景的加載速度、畫面平均率、內(nèi)存占用率、交互延遲時間。因此，在建模過程中需盡量減少和優(yōu)化模型的面片數(shù)、邊數(shù)等數(shù)據(jù)信息。

合理地利用Photoshop和3D Studio Max可進一步提高船舶建模的效果。利用3D Studio Max對模型渲染得到模型的UV，放到Photoshop中，繪制出紋理，然后保存圖片；再從3D Studio Max中的貼圖圖庫找到Photoshop處理過的圖片，并用3D Studio Max將貼圖重新賦給模型；最后查看效果并進一步修改完善，直至達到效果最佳。典型設(shè)備建模流程如圖6所示。圖7為一些典型小設(shè)備的三維建模過程，從左到右分別是白模、貼圖模型和渲染模型。

圖6 典型設(shè)備建模流程 Fig.6 Typical equipment modeling process

圖7 典型小設(shè)備建模各個階段 Fig.7 Typical small device modeling stages

3 模型的優(yōu)化

船舶場景設(shè)備繁多、管系復(fù)雜，最終的船舶數(shù)字化三維模型面片總數(shù)將相當巨大，必然會對三維場景繪制實時性(包括加載速度、畫面平均幀率、內(nèi)存占用率、交互延遲時間等)造成影響，若只通過縮減船舶數(shù)字化三維模型面片來提高場景的繪制效率，必然會降低模型的精度，在一定程度上會影響船舶的真實性。因此，必須采用有效的優(yōu)化方法使船舶場景既有真實感又有實時性。針對此問題，要做大量的優(yōu)化工作，如貼圖優(yōu)化、LOD技術(shù)、數(shù)據(jù)庫的高效組織、減少狀態(tài)改變、渲染優(yōu)化等。

3.1 貼圖優(yōu)化

為更好地展現(xiàn)船舶設(shè)備的局部細節(jié)，使整體效果更為逼真，同時節(jié)省面片數(shù)，需要通過相應(yīng)的技術(shù)手段對貼圖進行優(yōu)化。如圖8(a)所示類似鏤空設(shè)備的建模，通常采用Alpha貼圖進行優(yōu)化；圖8(b)展現(xiàn)大面積油漆面的設(shè)備，需要通過凹凸貼圖優(yōu)化。

圖8 貼圖優(yōu)化 Fig.8 Map optimization

3.2 多細節(jié)層次(LOD)技術(shù)

LNG船舶建模過程中，如果每個設(shè)備的每個細節(jié)全部展現(xiàn)在建模中，將占用大量資源降低運行速度，因此現(xiàn)在廣泛使用LOD技術(shù)[5]，即多細節(jié)層次技術(shù)對模型中所有設(shè)備進行優(yōu)化，對所展現(xiàn)的目標物按照重要性和距離遠近進行歸納分類，降低對非重要或距離較遠的目標物刻畫細節(jié)和面數(shù)，從而提高建模整體效率和降低資源占用率。

圖9為本次建模對所有設(shè)備模型分類示例。 第1步先初步分為l1(重要或近距離)和l2(次重要或遠距離)2個大類，將無需展示的直接剔除；第2步再根據(jù)第1步剩余2個分類進一步細化為4個分類；最后分別按等級定義為model1、model2、model3、model4 4個類型，即model1為最需要細節(jié)刻畫的一類模型，model4為簡單展示的一類模型。

圖9 LOD嵌套結(jié)構(gòu) Fig.9 LOD nesting structure

3.3 場景數(shù)據(jù)庫的高效組織

虛擬船舶場景庫必須高效地進行繪制，通常更新速率為每秒20幀以上，每幀的繪制過程可分為3個階段：更新、揀選和繪制。揀選過程中每一幀都需要對原始船舶場景數(shù)據(jù)庫訪問并提取，原始數(shù)據(jù)庫如過于隨意雜亂同樣會造成數(shù)據(jù)揀選時間延長，從而影響整體效率。繪制場景同樣如此，因為繪制場景需要對揀選的數(shù)據(jù)進行提取，提取過慢容易造成繪制過程出現(xiàn)丟幀或失幀。同時，揀選和繪制所耗費的時間和速率要保持一定協(xié)調(diào)與平衡性，如果揀選耗時過長，會造成系統(tǒng)沒有足夠余量去提取數(shù)據(jù)，從而影響繪制整體效率。目前，三維建模中通常會對數(shù)據(jù)庫進行整理，利用一定的空間和邏輯性對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重新組織，從而達到數(shù)據(jù)庫的高效運轉(zhuǎn)。

圖10所示為一個船舶在碼頭的場景，該場景一共由Area1、Area2、Area3和Area4 4個分場景組成，已知場景中有2組樹(Tree)和2組建筑物(Building)，通過空間的方法組織數(shù)據(jù)，就需將處于Area1的一組樹和建筑物定義為Tree1和Building1，將處于Area4的一組樹和建筑物定義為Tree2和Building2，這樣在揀選和繪制某組樹和建筑物時系統(tǒng)將很快且精準地訪問到該組數(shù)據(jù)。

圖10 空間和邏輯相結(jié)合的結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)庫 Fig.10 Structure of spatial and logical organization database

假設(shè)為了進一步展示樹Tree1的局部細節(jié)，可對Tree1的數(shù)據(jù)再細分為t1和t2 2組數(shù)據(jù)分支，但是再細分的分支不宜過多，當過多時同樣會造成Tree1數(shù)據(jù)異常龐大、系統(tǒng)忙于揀選使訪問和提取時間過長。所以還需要進行邏輯分析，將數(shù)據(jù)相似的盡可能整合在一起，控制好分支的數(shù)據(jù)量。

由于LNG船舶三維建模每組設(shè)備和場景的模型數(shù)量巨大，如果在建模后期再進行數(shù)據(jù)組織整理，會造成建模者調(diào)整異常艱難。筆者建議在建模初期合理組織每個場景數(shù)據(jù)庫，從而減少后期建模工作量。

3.4 狀態(tài)改變

LNG船舶三維建模過程中建模軟件所生成的圖形API所包含的顏色、材質(zhì)等元素信息始終被保存在緩存中，因累積將占用大量資源而影響建模繪制的效率，同時狀態(tài)改變過于頻繁會影響模型運行速度。為此，需要將狀態(tài)改變進行優(yōu)化處理。如圖11(a)所示，原object1數(shù)據(jù)中包含p1、p2、p3、p4、p5、p6共 6組數(shù)據(jù)，按順序會發(fā)生5次狀態(tài)改變。經(jīng)優(yōu)化整理后發(fā)現(xiàn)p1、p3、p5的數(shù)據(jù)信息相同，p2、p4、p6的數(shù)據(jù)信息相同，據(jù)此可優(yōu)化為圖11(b)兩類狀態(tài)，那么中間只發(fā)生1次改變即可，從而簡化了狀態(tài)數(shù)據(jù)的改變過程。

圖11 狀態(tài)改變 Fig.11 Status change

3.5 渲染優(yōu)化

為使所開發(fā)的船舶三維場景具有更強的真實性與材質(zhì)感，需要對所建模型和場景進行渲染優(yōu)化[6]，通過補充光照、陰影及色彩等元素而使模型信息更為豐富。目前渲染的主要方法分為2種：一種為實時渲染法，即將所建目標模型的光照、陰影等元素通過GPU實時計算后再渲染到模型上，其優(yōu)點是所建模型具有較高的實時性和流暢性，缺點是需要大量實時計算和編碼，并且對GPU等硬件要求高，故廣泛用于船舶外部甲板、動設(shè)備等實時場景的渲染；另一種為靜態(tài)烘焙渲染法，即將光照、陰影等原始信息預(yù)先制成多張貼圖再渲染貼至目標模型，其優(yōu)點是可減少實時渲染的計算量，缺點是會大量占用顯存且效果均為靜態(tài)，故廣泛用于各類船舶內(nèi)部艙室、靜設(shè)備等靜態(tài)場景的渲染。通過2種渲染方法的優(yōu)勢互補、相互結(jié)合，提高了船舶三維場景建模效率和經(jīng)濟性。

經(jīng)過上述步驟優(yōu)化后，LNG船舶數(shù)字化三維模型部分效果如圖12所示，最終的三維場景與實際場景幾乎一致。

圖12 數(shù)字化三維模型效果圖 Fig.12 Effect drawing of digital 3D model

4 結(jié) 論

本文通過梳理LNG船舶數(shù)字化三維建模流程和流程優(yōu)化方法，解決了以往船舶建模過程數(shù)據(jù)量體積龐大、系統(tǒng)流程性不足和缺乏真實性與實時性等容易出現(xiàn)的問題；同時，各種建模方法的選取與結(jié)合提高了建模和場景系統(tǒng)運行效率，縮短了建模的周期，對后期LNG船舶仿真系統(tǒng)的建立提供指導與參考。■