基于虛擬現實技術的LNG船舶仿真系統

時光志,周毅,李萌,張海濤，王瑛

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

虛擬現實技術(virtual reality,VR)在船舶領域應用廣泛[1]，其交互性、沉浸感和構想性的特性可以較好地解決傳統教學、訓練方法無法解決的問題。相比其他船舶，LNG船的駕駛及貨物裝卸難度較大，為提高船員對LNG船舶的整體認知及應對各種海況的能力，有必要開發LNG船舶航行仿真系統。近幾年，國內在虛擬船舶仿真領域的研究較多，主要集中在船舶運動數學模型開發、航行環境模擬等[3-5]。缺少對船舶主體和相關設備的仿真研究，也沒有將海上航行環境、船舶運動數學模型、船舶三維模型等有機結合起來。根據LNG船舶的實際航行情況，考慮圍繞三維船體和虛擬航行環境，開發基于虛擬現實的LNG船舶仿真系統，以達到降低學習、訓練成本和風險，提高對LNG船舶整體認知的目的。

1 總體設計

LNG船舶仿真系統是一個人機交互平臺，利用最新的虛擬現實理論，通過剛體、流體建模及航行環境模擬等基于物理的復雜場景動態演化技術實現高沉浸感、高可信度的虛擬仿真系統。仿真系統的總體架構見圖1。

圖1 仿真系統總體架構

2 關鍵技術

2.1 船舶運動數學模型

考慮到船舶自身的運動問題和海面與船舶的相對運動問題[6]，采用固定坐標系和運動坐標系相結合，船舶運動的描述更符合實際航行情況。如圖2所示，為了簡化方程，將運動坐標系固定在船體上，該坐標系隨船體做多個方向的軸向運動。船舶在海平面理想狀態下的運動是沿著3個坐標軸的運動，在3個軸向上的速度向量分別表示為VGx，VGy，VGz，重心速度則用VG表示，3個方向的坐標向量因航行環境的影響，還會進行一定的旋轉運動，因此船舶航行運動是一個6自由度運動。

圖2 船舶運動坐標系

在建立運動模型前，需要對船舶運動過程中的兩個坐標系進行轉換[7]。完成船舶運動坐標系和固定坐標系的轉換后，為了系統數學建模的方便，假設船舶是一個強度足夠大的剛體，且運動環境為微幅規則波，海水運動時產生的動力頻率與船體的振動頻率無關。基于以上假設，得到船舶在海面上運動的運數學模型。

2.2 海浪建模技術

模擬船舶航行環境時，海洋約占整個場景的一半區域，其模擬效果好壞直接關系系統運行的環境真實感。對海水等流體建模時，考慮到水體作為一種流體，具有不可壓縮性，采用WCSPH(weakly compressible smoothed particle hydrodynamics)方法實現流體的建模。在屏幕空間能夠高效率的繪制粒子，但在屏幕空間進行繪制的同時也會帶來流體表面凹凸不平的問題[8]。針對此問題，利用三維拉普拉斯平滑處理對應位置上的流體粒子[4]，使粒子分布更加緊密，解決粒子排布不規律的問題。流體建模效果見圖3。

圖3 流體建模效果

2.3 柔性物體模擬

船上有錨鏈、纜繩等柔性物體，針對柔性物體的模擬，比較常見的方法有質點-彈簧模型、PBD、ASM等。考慮到船舶系泊過程中纜繩的特點，采用PBD方法進行模擬。PBD方法可以直接控制對柔性體粒子的位置，具有簡單快捷、高效性、可控性等優點[9]。PBD方法的原理是通過對約束條件進行控制，從而改變柔性體中粒子的位置[10]。

根據纜繩的特點，在采用PBD方法的過程中主要考慮距離約束和彎曲約束。距離約束是指纜繩粒子在經過積分計算后，粒子之間的距離會變化，此時約束移動粒子的位置，讓粒子之間保持1個確定的距離d。彎曲約束則是讓3個不在1條直線的相鄰粒子趨向1條直線，用以實現實際情況下纜繩的高抗彎曲度和低拉伸度的效果。

假設p按照某運動控制方程移動，且將每個約束函數單獨線性化，基于非線性Gauss-Seidel迭代求解約束方程，△p按照與原方向垂直的梯度方向▽pC(p)移動，因此令：

△p=λ▽pC(p)

式中：λ為拉格朗日乘子。之后求解由單個約束給出的非線性方程的常規迭代步長。從而得到單個粒子i約束后的位移向量。

△pi=-s▽piC(p1,…，pN)

式中，對約束C作用范圍內的粒子,s的值都是恒定的。求出△p后，當前位置更新為p←p+△p。通過在新的位置評估▽pC(p)和C(p)，然后重復該過程。

3 系統實現

3.1 三維船舶建模

三維船舶建模主要建立LNG船舶整體和各典型區域的三維模型，主要工作分為2部分：一是建立船舶主體、上層建筑、駕駛室、儀器儀表、甲板設備等船舶駕駛部分的三維模型；二是建立LNG船舶貨物系統、動系統等船舶輪機部分的三維模型，實現LNG船舶貨物系統和動力系統的高精度仿真與運行模擬。而針對于船舶上每一個設備的建模包含兩個方面：形狀和外觀[11]。對設備形狀的建模主要通過點、線、面等來確定，物體的外觀則由表面紋理、顏色、光照系數等來確定。

使用多邊形建模方法對船舶進行建模，主要的工具是3D Studio Max，具體建模過程見圖4。建模過程中，首先在3D Studio Max中對模型進行烘焙、渲染得到模型的UV，提取出模型的UV圖，繪制出相應的紋理，然后保存帶有貼圖的圖片。將所有烘焙貼圖繪制好后，在3D Studio Max中，將貼圖重新賦給模型，查看效果再進行進一步修改完善，從而達到最佳效果。LNG船舶建模效果見圖5。

圖4 三維建模流程

圖5 LNG船舶三維模型

3.2 海洋場景模擬

為了模擬高可信度的船舶航行環境，基于前述流體建模技術，通過屏幕空間流體繪制來實現海洋場景的模擬，具體過程見圖6。

圖6 屏幕空間海洋場景模擬流程

在渲染海水的過程中，首先要獲得距離觀察者位置最近的流體自由表面，記錄下每個像素點到眼睛的距離，即為深度值；其次，對這些深度值構成的深度紋理圖進行雙邊濾波，得到過濾后的深度紋理；再次，將過濾后的深度紋理作為輸入值，根據平滑后的深度圖計算視點空間的位置和法向量，同時結合背景紋理和厚度紋理，進行光照計算并對流體進行著色，得到流體紋理；最后，將流體紋理和泡沫紋理作為輸入值，并在一個幀緩沖對象中渲染，得到最終的流體渲染效果見圖7，海水與船舶的相互作用效果見圖8。

圖7 流體的渲染效果

圖8 海水與船舶的相互作用

3.3 場景優化

為了逼真展現船舶的海上航行環境，要求虛擬場景中的物體建模應更加精細，同時三維場景的實時繪制要更加高效。考慮到兩者之間的平衡，需要對場景做一定的處理，在不影響視景效果的前期下，提高場景繪制的效率。

3.3.1 模型結構優化

模型結構的優化是指對場景模型采用空間組織和邏輯組織相結合的結構，這樣既方便場景庫的編輯和維護，又可以保證整個場景的繪制效率。如圖9碼頭場景先根據模型所在位置將其安排到Area1、Area2、Area3和Area4 4個節點中，對每一個Arean，再根據模型的邏輯意義組織數據，例如,Area1節點下，樹和建筑物又被分成了Tree1和Buildings12個節點。

圖9 模型結構的優化

3.3.2 LOD技術

LOD技術主要根據模型的距離和重要程度來劃分在場景中的顯示層級。根據視點的遠近，將模型顯示為一個細節層次不同的狀態，其模型的分辨率和精細度隨著漫游視點而改變。船舶場景中基本上每一個模型都采用了LOD技術，這樣場景既能提供足夠的細節，又能保持相對快速和穩定的顯示。但在場景庫中應注意LOD的結構。圖10為一采用LOD的模型，model1、model2、model3、model4為模型的各級LOD，系統根據LOD的切入(Switch in)/切出(Switch out)距離選擇不同的等級。圖10a)為平層LOD結構，此時系統必須檢查每個LOD節點以判斷其是否顯示，效率較低。圖10b)為嵌套LOD結構，系統對此結構進行如下判斷：根據視點和模型的距離選擇顯示l1或l2(或什么都不顯示)；如果l1切入，系統選擇顯示l3或l4，如果l2切入，系統選擇顯示l5或l6；如果l1或l2切出，它的后代直接剔除。LOD采用嵌套結構，場景可以更加快速的剔除不在顯示距離內的LOD，有效提高系統的運行效率。

圖10 LOD的結構

采用上述場景優化技術實現的“301”船舶停靠碼頭時的模擬效果見圖11，場景多邊形數量在2 000萬以上，繪制速度不低于35幅/s。

圖11 場景優化效果

4 結論

本文以“海洋石油301”LNG船舶為母型船，將海上航行環境、船舶運動數學模型、船舶三維模型等有機結合起來，研發了基于虛擬現實技術的LNG船舶航行仿真系統，達到降低學習、訓練成本和風險，提高對LNG船舶整體認知的目的。

在后續研究中，將對系統運行效率、惡劣海況模擬等做進一步研究，使其成為LNG船舶仿真研究的科研平臺。