船舶操縱模擬器上海洋山港港區三維視景仿真

2020-03-24 05:57:58李曉彬李亞偉

造船技術 2020年1期

溫魯，李曉彬，李亞偉,，宋磊

(1.武漢理工大學交通學院，湖北武漢 430063； 2.山東交通學院船舶與輪機工程學院，山東濟南 250357)

0 引言

三維視景仿真是船舶操縱模擬器的重要組成，由于三維視景系統本身具有精度高、真實性強、實時性好的特點，因此在船舶操縱模擬器中占重要地位[1-2]。以往在三維視景仿真時，數據采集較慢且地形圖獲取較困難，而采用Google Earth獲取地形圖則能避免以上問題，且只需經過等高線和矢量化方法的處理，就可得到能夠用于生成三維視景模型的數字高程模型(Digital Elevation Model， DEM)。在船舶操縱模擬器的研究上，國內船舶研究機構起步較晚[3-4]，廖河樹[5]全面系統地介紹了大型船舶操縱模擬器的系統組成，對航海模擬器的研制、開發和使用提供了支持。施朝健等[6]對國內船舶操縱模擬器三維視景仿真系統的技術性能標準進行調查和分析，將船舶操縱模擬器分成3個級別(C1～C3)。王勝正等[7]針對船舶操縱模擬器中的虛擬現實系統進行研究，改進視景系統中海浪渲染方法、分布式渲染技術以及投影圖像校正與融合技術。本文重點研究從矢量化角度進行三維地形建模的過程，將通過Google Earth獲取的地形圖像轉換成矢量化的格式文件，運用WinTopo、MapInfo和FME軟件把矢量化的地形文件轉換成DEM地形文件，再利用Multigen Creator的紋理映射和多細節層次(Levels of Detail, LOD)技術完成上海洋山港港區三維地形模型的建立，最后利用Vega實現對上海洋山港港區三維地形模型的渲染及驅動[8-9]。

1 DEM的生成

通過Google Earth獲取真實地形圖，運用WinTopo獲取矢量化的地圖，在WinTopo中設置地理參考點，以保證地理設置的精確性；然后將矢量化的地圖導入MapInfo中，獲取ArcView圖形文件(.shp)，并轉化為MapInfo version 2.x格式的文件(*.tab)；再通過MapInfo中的Vertical Mapper模塊，將*.tab格式的文件計算生成數字化柵格文件(*.grd)；最后運用FME將生成的數字化柵格文件轉換成DEM數據格式文件。此后，即可在Creator中通過New Project工具把DEM數據庫轉換成DED格式的數據庫[9-10]。整個三維地形模型設計流程如圖1所示。

圖1 三維地形模型設計流程圖

1.1 洋山港地形的獲取

洋山深水港位于杭州灣口、長江口外的浙江省嵊泗崎嶇列島(洋山景區)，由大、小洋山等數十個島嶼組成，如圖2所示。

圖2 洋山深水港組成

洋山港區的地理位置特別，地形數據的實地測量比較困難。通過Google Earth獲取真實地形外貌地圖，按照一定的地理比例大小，獲取小洋山和大洋山的相對位置及洋山港區的大體輪廓規劃，如圖3所示。將Google Earth獲得的地形圖像進行格式轉換，并生成高度逼真的等高線圖。

圖3 洋山深水港區規劃

圖4 洋山港方案文本文件

1.2 WinTopo矢量化處理

以小洋山為例，通過WinTopo打開獲取的地形圖像，通過WinTopo中的“矢量化”工具設置“地理參考”；應用多段線編輯工具，將等高線、河岸、河底等地理信息以多段線的形式手動描繪出來，再用賦值工具將多段線賦值并定義顏色以示區分。在繪制完成后，點擊“矢量化另存為”命令，將圖像另存為.wtx格式的方案文本文件，如圖4所示，其中數字為設置的等高線高度值。

再次利用WinTopo打開.wtx格式的方案文本文件，并將其另存為ArcView圖形文件，格式為.shp。圖形文件如圖5所示。

圖5 ArcView圖形文件

1.3 MapInfo地形數字化

利用MapInfo打開ArcView圖形文件(.shp)，另存為MapInfo version 2.x格式的文件(*.tab)。然后再通過MapInfo打開*.tab格式的文件。利用MapInfo的Vertical Mapper模塊，將數據計算生成數字化柵格文件(*.grd)。圖6為生成的地形散點圖。圖7為生成的數字化柵格地形圖。

圖6 地形散點圖

圖7 地形柵格圖

1.4 利用FME生成DEM

利用FME將第1.3節生成的地形數字化柵格文件(*.grd)轉換成DEM格式的地形文件。圖8為FME打開的地形數字化柵格文件。

圖8 FME中的地形數字化柵格文件

2 Multigen Creator生成三維地形模型

利用Multigen Creator將DEM格式的數據轉化成DED格式的高程數據，然后利用Terrain菜單中的New Project工具，加載DED地形數據文件，如圖9所示。使用地形窗口中的Texture面板，為三維地形模型應用地形紋理，并根據海拔高度的不同，映射不同的紋理圖案[11]。

圖9 三維地形模型的生成

由于港口覆蓋貨物裝卸、堆存、轉運和旅客集散用的陸地，包括進港陸上通道(鐵路、道路、運輸管道等)、碼頭前方裝卸作業區和港口后方區，因此應用LOD技術對三維港口中的不同物體，在不同的細節上建立一組三維港口模型。生成的港口三維地形模型如圖10所示，即為上海洋山港港區的三維視景仿真圖。將圖10與圖11的上海洋山港口地形圖進行對比分析發現，建立的三維地形模型具有較高的逼真度。

圖10 上海洋山港港區三維地形模型

圖11 上海洋山港港口地形圖

3 應用Vega驅動渲染三維地形模型

由于上海洋山港三維地形已在軟件Multigen Creator中建模完成，因此只需在Vega中創建一個新文件(格式為.adf)，并導入相應的模塊進行調試即可[12]。調試渲染后的上海洋山港港區三維視景仿真效果如圖12所示，與圖13的上海洋山港港區實景照片進行對比發現，建立的上海洋山港港區三維視景仿真具有較高的逼真度與實時性。