船舶機艙虛擬現實仿真系統研究

王海全 譚銀 朝劉勝

摘? 要：伴隨著虛擬現實技術的進一步發展，對其的研究已經取得不少成果，并被逐漸應用到各個領域之中。將虛擬現實技術應用到船舶機艙中，并構建一套虛擬現實仿真系統，用戶即可在逼真的虛擬環境中，進行操作和自主漫游，獲得與實際操作中相似的體驗，并在虛擬場景中進行交互操作，掌握基本的操作方法。本論文以虛擬現實仿真系統為研究切入點，對其在船舶機艙中的應用，進行了詳細的研究和分析。

關鍵詞：虛擬現實技術;仿真系統;船舶機艙

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：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

航海業對于推動國家發展，具有十分重要的作用。尤其是在當前國際環境下，伴隨著全球貿易一體化的現象，船舶作為海上貿易和海洋防御支柱，得到了廣泛的重視。現階段，伴隨著科技的進一步發展，虛擬現實技術也應運而生，并實現了快速的發展和應用。如今，虛擬現實這一先進的技術，已經被應用到船舶機艙中。利用該技術構建一個與船舶機艙環境相似的虛擬系統，提高了操作人員的操作技能，并通過接近于真實的環境體驗，提高了操作人員的故障分析能力，并在特殊訓練項目中發揮了突出的優勢，具有不可替代的優越性。

1? 虛擬現實技術概述

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

具體來說，虛擬現實技術主要包括三個要素，即：

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

（2）用戶在該系統中進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中，實現互動性操作。

基于虛擬現實技術的特性，在利用該技術所構建的船舶機艙虛擬系統中，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實情境中的投入程度。主要是指利用虛擬現實系統可以給用戶提供一個沉浸的虛擬環境，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實中，可以借助類似真實的環境展開操作，并及時發現其中存在的故障，進而獲得反饋信息等;想象則是用戶在虛擬的環境中，可借助相關的條件和參數等，進行科學、合理的推斷和想象[1]。

2? 船舶機艙虛擬現實仿真系統總體設計

伴隨著虛擬現實技術的進一步發展，這一技術已經在諸多行業和領域中得到了廣泛的應用，尤其是在軍事、航空航天等行業中發揮了突出的優勢。目前，有些國家已經開始將虛擬現實仿真技術應用到船舶航海操作中。例如：加拿大的MARS系統、美國的VESUB工程，均充分利用了虛擬現實仿真技術。不同的是，MARS系統是將虛擬現實仿真技術應用到深海開闊水域的操作訓練中，VESUB工程則利用這一技術開展項目訓練。

在船舶航海中，虛擬現實這一先進的科學技術，不僅被應用在訓練系統中，還可以被應用到航海系統工程的開發中。在本次研究中，筆者將虛擬現實技術充分應用到船舶機艙中，并在此基礎上構建了一個虛擬現實系統。該虛擬系統與真實的機艙環境相同，具備舵機設備，并且用戶在操作的過程中，還可以在其中自由漫游，進而給操作人員提供一個真實的操作體驗環境，使得操作人員在虛擬系統中，不斷提高其操作技能，并提高其發現故障的能力[2]。

在具體進行船舶機艙虛擬現實仿真系統設計中，為了進一步提高系統的設計水平，從以下四個方面給予了關注和研究：

（1）場景真實性。在設計船舶機艙虛擬現實仿真系統的過程中，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、合理的推斷和想象，并產生交互行為，必須要設計一個逼真的機艙場景模型，具體到每一個設備、每一個管路，力求所有的局部細節均呈現在操作人員的面前。

（2）虛擬場景漫游。在設計船舶機艙虛擬現實仿真系統的過程中，為了進一步發揮學員的自主性，必須要注重虛擬場景漫游，并且在設計中，還要添加碰撞檢測這一環節，使得漫游更加真實。

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

（4）友好的操作界面。在設計船舶機艙虛擬現實仿真系統的過程中，為了便于用戶操作，必須要加強操作界面的設計。在具體的設計中，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，在進行設計的過程中，還必須要遵循相應的操作程序，確保設計的界面功能完善、外觀和諧[3]。

3? 船舶機艙虛擬現實仿真系統具體研究

3.1? 虛擬機艙三維模型的建立

船舶機艙虛擬現實仿真系統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境進行交互，因此，在進行系統構建的過程中，必須要給予有效的關注。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行的，且以視覺為主。因此，在具體進行設計的過程中，應加強用戶視覺的現場感，注意以下幾個方面：

（1）結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行綜合考慮。

（2）在具體設計的過程中，必須要以人體雙目視覺為基本原則和出發點。

（3）設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行設計的過程中，要以人類視覺的分時式、分路式為依據。

（5）在具體設計的過程中，還要對人類的立體視覺進行相應的測試和研究。

（6）在進行具體設計的過程中，還要對影響人類視覺效果的因素進行仔細的考慮。

結合人類經驗和視覺實驗結果得知，人不僅在使用雙眼觀看景物的時候會產生立體感，即使在單眼觀看景物的時候，也可以對物體的前后深度進行明確的辨認，進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行精準的獲得，只有做到這一點，才能確保用戶在虛擬環境中進行操作的時候，能夠精準地進行交互。

3.2? 虛擬機艙漫游仿真系統

用戶如果想要在虛擬空間中，對虛擬環境中的任意一個角度進行觀察，在對虛擬現實系統進行構建的過程中，必須要制造一個逼真的虛擬環境，并且將用戶在操作過程中的視覺、聽覺、觸覺一體化。因此，在進行系統開發的過程中，一方面，必須要結合船舶機艙實際操作環境，創造一個逼真的仿真系統，進而給用戶提供一個無限接近于現實的虛擬化場景，使其在操作的過程中，產生一種身臨其境的感覺;另一方面，從船舶機艙的角度上講，船舶機艙中的設備繁多，且機構復雜、管系縱橫交錯、艙柜層次迭起，只有通過構建虛擬機艙漫游仿真系統，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]。

在具體進行漫游仿真系統設計的過程中，可充分利用建模法的漫游技術。在使用該技術的時候，以圖形學為基礎，解構船舶機艙中的實際情況，對各種設備、場景等進行模擬，積極構建三維模型，并利用所有設備的三維模型，構建出一個虛擬環境和空間。同時，在構建三維模型的過程中，還要結合所有現實物體的物理屬性，賦予模型物體材質、光照等屬性;最后，用戶在進行操作的過程中，還要對漫游者的位置、動作行為等進行有效的控制，以幫助其達到漫游的效果。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境，常常需要消耗較長的時間進行建模。

另外，在構建虛擬漫游系統的過程中，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，常常在虛擬環境中進行碰撞檢測，進而對人與人、人與物之間是否發生碰撞、是否需要足夠的穩定和準確進行判斷。

3.3? 虛擬船舶駕駛臺和集控室仿真系統

虛擬船舶駕駛臺系統主要包含了控制室、駕駛臺、操舵儀、雷達等設備，在進行虛擬船舶駕駛臺系統的設計中，可充分利用虛擬按鈕的方式，對駕駛臺進行操作。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行操作。

3.4? 視景仿真系統的交互界面設計

在船舶機艙虛擬現實系統的設計中，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，均需要有系統交互界面進行控制;另一方面，鑒于船舶模型面數較多，艙室的模型較為復雜，因此必須要進行視景仿真系統的交互界面設計。

在進行具體設計的過程中，應注意從以下兩方面進行：

（1）系統主界面設計。在對系統的主界面進行設計的過程中，可采用電擊按鈕、異步加載的方式，讀取系統后臺的數據，并從主界面進入到二級主界面。當返回到主界面的時候，則可以通過結束按鈕的方式，將程序進行關閉。

（2）二級主界面設計。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據讀取產生影響。

另外，當系統設計完成之后，在進行場景切換的過程中，極有可能會出現卡頓的現象，進而對用戶的體驗效果產生影響。基于此，可充分利用相應的技術，從系統的CPU、GPU和內存三個方面進行優化：

（1）CPU優化。在虛擬系統中，每一次都要經過系統CPU的渲染，進而導致系統中CPU負荷嚴重，直接降低了系統的運行速度。因此，可將大量的Draw Call對CPU進行優化，以減少其工作量。

（2）GPU優化。在虛擬現實系統中，GPU主要負責進行圖像渲染。因此，在對其進行優化的過程中，可充分利用減少繪制數目、優化顯存帶寬等方式，對其進行優化。

（3）內存優化。可充分引用DLL等方式，對內存進行優化，進而對整個系統進行優化[5]。

4? 結? 論

綜上所述，伴隨著虛擬現實技術的進一步發展，通過該技術構建一個虛擬現實系統，給用戶操作者提供一個身臨其境的環境，并使其在虛擬的環境中，掌握船舶機艙操作要點，不斷提升其操作水平。

參考文獻：

[1] 徐慧.船舶機艙虛擬場景三維模型的建立及優化 [J].艦船科學技術，2018，40（2）：123-125.

[2] 于祥.3D技術在船舶機艙仿真軟件開發中的應用 [J].天津航海，2016（2）：38+41.

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

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

[5] 李雯文.虛擬船舶機艙設備的運行操縱仿真研究 [D].鎮江：江蘇科技大學，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。