三維虛擬現實技術船舶室內環境設計系統

蔡云菲 周絲靜 施葦 袁詩

摘 要：由于在利用原有系統進行船舶室內環境設計時，受場景搭建數據量過大的影響而無法進行數據處理，在室內環境設計元素為20～40個的范圍內存在室內場景模擬用時較長的問題，因此提出一種基于三維虛擬現實技術的船舶室內環境設計系統。通過硬件與軟件的組合實現船舶室內環境設計的目的。為證明該系統的室內場景模擬用時較短，在室內環境設計元素為20～40個的范圍內將其與原有系統進行對比實驗，實驗結果證明該系統的室內場景模擬用時最短，實現了設計性能的提升。

關鍵詞：三維虛擬現實技術;船舶;室內環境設計;PC機

船舶室內環境設計系統能夠對船舶室內環境進行科學規劃設計，使船舶室內環境更加舒適、布局更加合理。隨著船舶其他性能的提升，人們對其居住性能也提出了越來越高的要求，愈發意識到船舶室內環境設計的重要性。而通過船舶室內環境設計系統，能夠獲得船舶室內環境的智能設計方案，極大改善船舶的現有居住環境[1]。國內外對于船舶室內環境設計系統的研究各有其側重點，很多學者都提出了不同的系統方案。國外對于船舶室內環境設計系統的研究主要集中在豪華郵輪、游艇等船舶的艙室布置和環境設計方面，有學者提出一種基于環境因子的船舶室內環境設計系統，主要基于環境因子理論進行船舶室內環境設計。而我國對于船舶室內環境設計系統的研究則主要集中于客船、工作船、軍船等船舶的艙室布置和環境設計方面，有學者提出一種基于布局優化的船舶室內環境設計系統，主要基于布局優化思想進行船舶室內環境設計。由于在利用以上系統進行船舶室內環境設計時，受場景搭建數據量過大的影響而無法進行數據處理，在室內環境設計元素為20～40個的范圍內存在室內場景模擬用時較長的問題，因此提出一種基于三維虛擬現實技術的船舶室內環境設計系統。

一、設計基于三維虛擬現實技術的船舶室內環境設計系統

1.設計硬件

基于三維虛擬現實技術的船舶室內環境設計系統的硬件構成為視覺模塊、數據處理模塊[2]。

（1）設計視覺模塊基于三維虛擬現實技術中的立體傳感器和顯示技術設計視覺模塊，該模塊主要由多個立體視覺傳感器構成，主要通過立體視覺傳感器的布設對設計的船舶室內環境進行三維成像顯示。其中立體視覺傳感器的具體型號為XtionASUS。

（2）設計數據處理模塊數據處理模塊由PC機和GPU構成。其中PC機主要用于核心數據處理，而GPU主要用于圖像數據處理，選用的型號為 QuadroNvidia3000MGPU [3]。

2.設計軟件

基于三維虛擬現實技術的船舶室內環境設計系統的軟件配置為室內環境設計模塊。室內環境設計模塊主要通過Direct3D軟件與OpenGL軟件進行船舶室內環境的設計。其中OpenGL軟件主要作用是通過復雜曲面、曲線、簡單圖形、點、線等展示函數來設計室內環境。該軟件能夠適應Win-dows7、Unix等多種操作平臺。通過OpenGL軟件，能夠對船舶室內環境設計元素進行繪制，并將繪制結果發給Direct3D軟件對其實施最終處理[4]。而Direct3D軟件的主要作用是對船舶室內模型進行構建，并將構建的船舶室內模型以3ds格式保存。構建的船舶室內模型中包括編輯窗口與船舶室內場景數據。OpenGL軟件的船舶室內環境設計就需要以構建的船舶室內模型為依據來進行。其繪制需要將構建的船舶室內模型作為基礎，在模型上添加設計的室內環境元素，對船舶室內模型進行環境充實，以及進行布局操作，并以*.x格式將充實后的船舶室內模型保存至Direct3D軟件中，通過Direct3D軟件的引擎渲染模塊對設計結果進行渲染處理、編輯與輸出。

二、仿真實驗

1.實驗場景

為證明基于三維虛擬現實技術的船舶室內環境設計系統的性能，對其進行實驗驗證。在實驗中，選擇某船舶對其進行室內環境設計。利用基于三維虛擬現實技術的船舶室內環境設計系統對實驗船舶進行室內環境設計。在實驗中，獲取室內環境設計元素為20～40個范圍內的室內場景模擬用時數據作為實驗數據。為了避免本次實驗結果過于單一而缺乏對比性，將原有的2種船舶室內環境設計系統作為實驗中的對比系統，包括基于環境因子、基于布局優化的船舶室內環境設計系統。同樣利用這2種系統對實驗船舶進行室內環境設計，獲取室內環境設計元素為20～40個范圍內的室內場景模擬用時數據作為對比實驗數據。比較幾種實驗系統的室內場景模擬用時實驗數據。

2.結果比較

在室內環境設計元素為20～30個的范圍內，基于三維虛擬現實技術的船舶室內環境設計系統與基于環境因子、基于布局優化的船舶室內環境設計系統的室內場景模擬用時數據對比結果。可知，在室內環境設計元素為20～30個的范圍內，基于三維虛擬現實技術的船舶室內環境設計系統的室內場景模擬用時低于基于環境因子、基于布局優化的船舶室內環境設計系統的室內場景模擬用時。

三、結語

基于三維虛擬現實技術的船舶室內環境設計系統實現了室內場景模擬用時的降低，對于船舶室內環境設計效率的提升有一定意義。

參考文獻：

[1]胡元生，潘李，劉鑫.新型極地漁業科考船綠色船舶及環境保障系統設計[J].船海工程，2019（1）：297–300.

[2]任柯燕，馬松松，王書龍，等.基于Zynq和IEEE1451.2的室內環境監控系統[J].北京工業大學學報，2018，44（10）：40–50.

[3]史兵，段鎖林，李菊，等.基于無線傳感器網絡的室內移動滅火機器人系統設計[J].計算機應用，2018，38（1）：290–295.

[4]黃語燕，王濤，鄭鴻藝，等.福建省薄膜溫室溫濕度采集系統的實現及濕熱環境分析[J].江蘇農業科學，2019，47（23）：264–268.