船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)研究

船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)研究航海業(yè)對(duì)于推動(dòng)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?，F(xiàn)階段,伴隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，并實(shí)現(xiàn)了快速的發(fā)展和應(yīng)用。如今，虛擬現(xiàn)實(shí)這一先進(jìn)的技術(shù)，己經(jīng)被應(yīng)用到船舶機(jī)艙中。利用該技術(shù)構(gòu)建一個(gè)與船舶機(jī)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(shí)的環(huán)境體驗(yàn)，提高了操作人員的故障分析能力，并在特殊訓(xùn)練項(xiàng)目中發(fā)揮了突出的優(yōu)勢(shì)，具有不可替代的優(yōu)越性。1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VirtualReality,簡(jiǎn)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(shí)則是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的虛擬世界，這種系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)和傳感技術(shù)等有機(jī)融合為一個(gè)整體，并使其真正合成為一個(gè)集成系統(tǒng)。具體來說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包扌舌三個(gè)要素，HP：給船舶機(jī)艙用戶提供一個(gè)逼真的虛擬世界，使其在虛擬環(huán)境中可進(jìn)行與實(shí)際相同的操作。用戶在該系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬操作的過程中，不會(huì)受到約束，可以自由地活動(dòng)。用戶可以在這一虛擬的船舶機(jī)艙系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)性操作?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性，在利用該技術(shù)所構(gòu)建的船舶機(jī)艙虛擬系統(tǒng)中，也具備三個(gè)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(shí)情境中的投入程度。主要是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以給用戶提供一個(gè)沉浸的虛擬環(huán)境，使用戶在視覺、聽覺、嗅覺和觸覺各個(gè)方面均沉浸其中;交互則是用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)中，可以借助類似真實(shí)的環(huán)境展開操作，并及時(shí)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。2船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這一技術(shù)己經(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(shì)。目前，有些國家己經(jīng)開始將虛擬現(xiàn)實(shí)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VESUBT程，均充分利用了虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)。不同的是，MARS系統(tǒng)是將虛擬現(xiàn)實(shí)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(xiàng)目訓(xùn)練。在船舶航海中，虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)充分應(yīng)用到船舶機(jī)艙中，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。該虛擬系統(tǒng)與真實(shí)的機(jī)艙環(huán)境相同，具備舵機(jī)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(gè)真實(shí)的操作體驗(yàn)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。在具體進(jìn)行船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，從以下四個(gè)方面給予了關(guān)注和研究：場(chǎng)景真實(shí)性。在設(shè)計(jì)船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的過程中，為了給用戶營(yíng)造沉浸感、代入感，在接近于真實(shí)的場(chǎng)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(jì)一個(gè)逼真的機(jī)艙場(chǎng)景模型，具體到每一個(gè)設(shè)備、每一個(gè)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。虛擬場(chǎng)景漫游。在設(shè)計(jì)船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)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(chǎng)景漫游，并且在設(shè)計(jì)中，還要添加碰撞檢測(cè)這一環(huán)節(jié)，使得漫游更加真實(shí)。要有顯示儀表和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。在設(shè)計(jì)船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的過程中，為了實(shí)現(xiàn)用戶操作者的良好反饋，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須要有顯示儀表和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。友好的操作界而。在設(shè)計(jì)船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的過程中，為了便于用戶操作，必須要加強(qiáng)操作界而的設(shè)計(jì)。在具體的設(shè)計(jì)中，必須要確保用戶界面具備簡(jiǎn)潔、美觀、易于理解、易于操作等特點(diǎn)。同時(shí)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，還必須要遵循相應(yīng)的操作程序,確保設(shè)計(jì)的界面功能完善、外觀和諧。3船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)具體研究3.1虛擬機(jī)艙三維模型的建立船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是可以給用戶營(yíng)造一種身臨其境的感覺，并與計(jì)算機(jī)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(shí)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(jì)的過程中，應(yīng)加強(qiáng)用戶視覺的現(xiàn)場(chǎng)感，注意以下幾個(gè)方而：結(jié)合人類視覺的生理特性，從人類視覺對(duì)亮度、彩色特性，以及視覺的分辨力和惰性四個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。在具體設(shè)計(jì)的過程中，必須要以人體雙目視覺為基本原則和出發(fā)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的目的是生成一個(gè)立體的、虛擬的視覺圖像。在對(duì)虛擬機(jī)艙三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要以人類視覺的分時(shí)式、分路式為依據(jù)。在具體設(shè)計(jì)的過程中，還要對(duì)人類的立體視覺進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試和研究。在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的過程中，還要對(duì)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(yàn)和視覺實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，人不僅在使用雙眼觀看景物的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生立體感，即使在單眼觀看景物的時(shí)候，也可以對(duì)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(jī)艙三維模型的時(shí)候，必須要對(duì)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(diǎn)，才能確保用戶在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作的時(shí)候，能夠精準(zhǔn)地進(jìn)行交互。3.2虛擬機(jī)艙漫游仿真系統(tǒng)用戶如果想要在虛擬空間中，對(duì)虛擬環(huán)境中的任意一個(gè)角度進(jìn)行觀察，在對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建的過程中，必須要制造一個(gè)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，一方而，必須要結(jié)合船舶機(jī)艙實(shí)際操作環(huán)境，創(chuàng)造一個(gè)逼真的仿真系統(tǒng)，進(jìn)而給用戶提供一個(gè)無限接近于現(xiàn)實(shí)的虛擬化場(chǎng)景，使其在操作的過程中，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺;另一方而，從船舶機(jī)艙的角度上講，船舶機(jī)艙中的設(shè)備繁多，且機(jī)構(gòu)復(fù)雜、管系縱橫交錯(cuò)、艙柜層次迭起，只有通過構(gòu)建虛擬機(jī)艙漫游仿真系統(tǒng)，才能使得用戶在接近于真實(shí)場(chǎng)景的體驗(yàn)中，不斷提高其操作技能。在具體進(jìn)行漫游仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)候，以圖形學(xué)為基礎(chǔ)，解構(gòu)船舶機(jī)艙中的實(shí)際情況，對(duì)各種設(shè)備、場(chǎng)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(gè)虛擬環(huán)境和空間。同時(shí)，在構(gòu)建三維模型的過程中，還要結(jié)合所有現(xiàn)實(shí)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(duì)漫游者的位置、動(dòng)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(shí)，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(gè)更加逼真的體驗(yàn)環(huán)境，常常需要消耗較長(zhǎng)的時(shí)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(chǎng)景中的操作行為、操作動(dòng)作更加逼真，常常在虛擬環(huán)境中進(jìn)行碰撞檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)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(tái)和集控室仿真系統(tǒng)虛擬船舶駕駛臺(tái)系統(tǒng)主要包含了控制室、駕駛臺(tái)、操舵儀、雷達(dá)等設(shè)備，在進(jìn)行虛擬船舶駕駛臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可充分利用虛擬按鈕的方式，對(duì)駕駛臺(tái)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(tái)、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(duì)船舶柴油主機(jī)進(jìn)行操作。3.4視景仿真系統(tǒng)的交互界面設(shè)計(jì)在船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一方面，艙室漫游視景、船舶運(yùn)行仿真視景、艙室破損浸水仿真視景，均需要有系統(tǒng)交互界而進(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(jì)。在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)注意從以下兩方而進(jìn)行：（1） 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)。在對(duì)系統(tǒng)的主界而進(jìn)行設(shè)計(jì)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(tái)的數(shù)據(jù)，并從主界面進(jìn)入到二級(jí)主界面。當(dāng)返回到主界面的時(shí)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(jí)主界面設(shè)計(jì)。二級(jí)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(shí)，在切換的過程中，必須要保證不會(huì)對(duì)其他場(chǎng)景的數(shù)據(jù)讀取產(chǎn)生影響。另外，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，在進(jìn)行場(chǎng)景切換的過程中，極有可能會(huì)出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)用戶的體驗(yàn)效果產(chǎn)生影響?；诖?，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(gè)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(yùn)行速度。因此，可將大量的DrawCall對(duì)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(shí)系統(tǒng)中，GPU主