船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

王五桂

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船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

王五桂

（中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

根據(jù)船舶操縱模擬器功能實(shí)現(xiàn)的實(shí)際需要，本文提出一種7通道270°寬視場角環(huán)幕投影構(gòu)架方案。基于視景仿真系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)，完成了硬件構(gòu)架和軟件構(gòu)建的設(shè)計(jì)。并通過船舶操縱模擬器試驗(yàn)室空間的實(shí)際大小，完成構(gòu)架方案的空間布局設(shè)計(jì)，并對布局設(shè)計(jì)進(jìn)行光路效果分析。結(jié)果表明，所提出的視景系統(tǒng)構(gòu)架方案能夠滿足船舶操縱模擬器真實(shí)沉浸感的要求。

船舶操縱模擬器 視景仿真 架構(gòu)

0 引言

船舶操縱模擬器在仿真、功能和應(yīng)用方面具有極其重要的作用和社會(huì)效益[1][2]。其核實(shí)是建立準(zhǔn)確的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型[3]和依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[4][5]建立視覺上逼真和高沉浸感的視景仿真系統(tǒng)。視景仿真系統(tǒng)能夠模擬船舶航行的航行姿態(tài)和虛擬場景，一方面，使得能夠在試驗(yàn)室條件下對船舶運(yùn)動(dòng)控制性能進(jìn)行有效評估及檢驗(yàn)，減少實(shí)船試驗(yàn)次數(shù)，降低成本，縮短開發(fā)周期，優(yōu)化控制系統(tǒng)等目的，另一方面，也是對船舶操縱人員進(jìn)行實(shí)際操作能力培訓(xùn)的一種有效的途徑。

視景仿真系統(tǒng)是以航行操縱模擬器輸出的數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用視景仿真技術(shù)等手段，通過三維視景仿真方法直觀、逼真地呈現(xiàn)船舶操縱中的各種操作和業(yè)務(wù)流程，并利用三維建模方法將本船、實(shí)際場景、海面自然環(huán)境等元素可視化呈現(xiàn)。通過三維環(huán)境中對模型對象的操作展現(xiàn)船舶的航行狀態(tài)，能夠?yàn)榇安倏v控制性能研究和船舶操縱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與論證提供更加直觀、更加豐富的參考依據(jù)。

1 視景仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及建設(shè)目標(biāo)

視景仿真系統(tǒng)主要由顯示系統(tǒng)、視景仿真渲染集群、管理終端、仿真模型數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等部分組成，船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。通過仿真服務(wù)器系統(tǒng)路由器連接到船舶操縱模擬器中，模擬器向仿真服務(wù)器提供船舶運(yùn)動(dòng)各種信號(hào)，并在顯示系統(tǒng)中實(shí)時(shí)反應(yīng)。

視景仿真系統(tǒng)主要建設(shè)目標(biāo)如下：

1）顯示系統(tǒng)能夠提供大尺寸、高分辨率顯示畫面，能夠模擬真實(shí)操作環(huán)境，具有高真實(shí)感、高沉浸感，在船舶操縱模擬器中能夠得到較真實(shí)的操縱體驗(yàn)[6]。

2）顯示系統(tǒng)要求優(yōu)先采用弧形幕或者具有更高真實(shí)感的顯示系統(tǒng)方案，顯示系統(tǒng)畫面應(yīng)無明顯接縫、顯示范圍應(yīng)覆蓋全部視覺可觀察范圍。

3）建立多種仿真模型數(shù)據(jù)庫，包括本船、副本船及其他參照船舶模型。

4）構(gòu)建三維虛擬現(xiàn)實(shí)場景，包括：港口，機(jī)動(dòng)航行，窄水域?qū)Ш健⑾挡础㈠^定、靠泊，海上補(bǔ)給，導(dǎo)航等，模擬展現(xiàn)船舶在多種海況下多工況下作業(yè)過程。

5）建立相應(yīng)的模擬環(huán)境和氣候條件，如逼真模擬白天、黃昏、夜晚，雨、雪、可穿透及不可穿透的大霧等，使得視景仿真系統(tǒng)環(huán)境模擬可滿足各種氣候條件的船舶操縱與航行[7]。

2 視景仿真系統(tǒng)硬件構(gòu)架設(shè)計(jì)

根據(jù)對船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)和功能要求，系統(tǒng)的硬件部分主要由投影顯示分系統(tǒng)、圖形生成分系統(tǒng)、中央控制分系統(tǒng)、音響分系統(tǒng)和配套保障分系統(tǒng)組成，如圖2所示。

視景仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要通過各種信號(hào)電纜互連起來構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的物理運(yùn)行平臺(tái)。投影顯示分系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收和處理圖形生成分系統(tǒng)各個(gè)仿真工作站實(shí)時(shí)生成的圖像進(jìn)行仿真畫面拼接、畫面融合處理，并顯示出來供參試、評估人員觀看；圖形生成分系統(tǒng)負(fù)責(zé)為三維視景軟件提供運(yùn)行硬件平臺(tái)，中央控制分系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的支撐性分系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)主要設(shè)備的控制管理（投影機(jī)控制、工作站控制等）、大廳環(huán)境控制管理（設(shè)備電源、燈光控制管理）；音響擴(kuò)聲分系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的語言發(fā)言擴(kuò)聲、仿真擴(kuò)聲等，為參試人員提供聲音洪亮、音質(zhì)飽滿的仿真音響擴(kuò)聲效果，配套保障分系統(tǒng)負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行提供電力保障、安全防范保障和運(yùn)行保障等。視景仿真系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 視景仿真系統(tǒng)軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)

船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)軟件主要包含三個(gè)部分，如圖4所示：

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真開發(fā)平臺(tái)分系統(tǒng)是船舶操縱模擬器仿真可視化系統(tǒng)的支撐系統(tǒng)，主要由三維虛擬現(xiàn)實(shí)引擎、專用視景效果引擎、模型編輯軟件、可視化應(yīng)用程序框架等組成，為整個(gè)軟件系統(tǒng)提供三維可視化呈現(xiàn)、效果表現(xiàn)功能，以及提供軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)框架，支撐分布式可視化仿真、數(shù)據(jù)處理、同步控制等基礎(chǔ)支撐功能。

視景仿真可視化分系統(tǒng)利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度、高逼真度、高分辨率的船舶運(yùn)動(dòng)仿真視景，為船舶運(yùn)動(dòng)仿真提供高質(zhì)量的呈現(xiàn)手段。能夠支撐目前船舶操縱模擬器仿真應(yīng)用，并能具有可擴(kuò)展性，能夠支撐將來其它試驗(yàn)和仿真的可視化表現(xiàn)。

三維模型資源及數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)利用三維建模軟件建立模擬器中的仿真船舶，仿真場景和模擬環(huán)境等，根據(jù)仿真工況供視景仿真系統(tǒng)調(diào)用，圖5為視景仿真系統(tǒng)的效果。

4 視景仿真系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)

根據(jù)船舶操縱模擬器試驗(yàn)室空間的實(shí)際大小，將投影顯示屏設(shè)計(jì)成一個(gè)270°具有高度沉浸感的大型屏幕，屏幕半徑7米，高3.15米的7通道特制正投金屬屏幕，便于仿真環(huán)境顯示。系統(tǒng)用7臺(tái)高亮度、高分辨率投影機(jī)采用正投方式將多路計(jì)算機(jī)信號(hào)以多功能需要按不同的方式顯示出來。根據(jù)船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)布局，并根據(jù)所選擇的視景仿真系統(tǒng)硬件設(shè)備的性能指標(biāo)，可得到光路設(shè)計(jì)示意圖。

5 結(jié)語

船舶操縱模擬器中視景仿真系統(tǒng)的目的就是將船舶運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式形象、逼真地再現(xiàn)出來，讓操縱人員能以最直觀的方式感受到船舶在海浪中是真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。根據(jù)這一實(shí)際需求出發(fā)，本文提出了一種視景仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案，根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，完成系統(tǒng)硬件構(gòu)建和軟件構(gòu)架的設(shè)計(jì)，并通過對所設(shè)計(jì)的視景仿真系統(tǒng)進(jìn)行光路分析，證明所設(shè)計(jì)的視景仿真系統(tǒng)構(gòu)建能夠滿足船舶操縱模擬器的實(shí)際需求，為進(jìn)一步開發(fā)船舶操縱模擬器奠定了基礎(chǔ)。

[1] 屠海洋, 袁章新. 船舶操縱模擬中視景仿真的研究[J]. 中國航海, 2009, 32 (1): 106-110.

[2] 黃會(huì)營, 段曉明. 船舶運(yùn)動(dòng)視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2012, 29 (1): 369-373.

[3] 張秀鳳．航海模擬器中六自由度船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型[D] .大連: 大連海事大學(xué), 2009.

[4] 肖劍波,胡大斌,高偉. 基于Vega的潛望鏡視景系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國艦船研究, 2008，3(3):63-66.

[5] 高偉, 巫影, 肖劍波. 基于Vega的虛擬海洋視景仿真研究[J]. 中國艦船研究, 2008，3(6):54-60.

[6] Ashdown M, Flagg M, Sukthanker R, et al. A flexible project or camera system for multi-planar displays[C]. Proceeding of Computer Vision and Pattern Recognition. Los Alamitos: IEEE Computer Society Press, 2004:165-172.

[7] 熊振南，周世波．船舶航行環(huán)境可視化仿真[J]．上海海事大學(xué)學(xué)報(bào),2009, 30 (1): 6-9.

Architecture Design of Scene Simulation System for Ship’s Handling Simulator

Wang Wugui

（China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China）

To meet the function requirements of ship’s handling simulator, a seven channel and 270°cylindrical scene simulation system architecture is developed in this paper. Based on the aim of scene simulation system, the hardware architecture design and software architecture design are presented. Then the space distribution is designed for ship’s handling simulator laboratory，and the light path is analyzed for the space distribution. The architecture of scene simulation system can better fit in with the need of ship’s handling simulator.

ship’s handling simulator; scene simulation; architecture design

U675

A

1003-4862（2016）03-0060-03

2015-11-23

王五桂（1985-），男，工程師。專業(yè)方向：船舶航行操縱控制技