基于虛擬現實技術的大型艦船艙內空間優化

劉 丹，王雯艷

(南昌工學院，江西 南昌 330108)

0 引 言

虛擬現實技術是指通過計算機系統對真實空間的物體進行抽象建模，保留了物體的各種物理特性，同時能夠借助計算機的強大、硬件的性能，從而使用戶能夠體驗到仿佛置身其境中的感覺，模擬出虛擬環境中的環境變化，用較為簡單的方式完成人與機器之間的融合[1- 3]。

虛擬現實技術在船舶領域有較多的應用場景，而本文基于VR 技術結合人工智能的圖像分割技術，對大型艦船的艙內空間進行優化，采用系統化的方式對虛擬空間的設備進行操控，然后融入傳感技術、三維建模，對大型艦船艙內空間加以優化。以期能夠更好地為船員展示艙內虛擬場景，使其在系統運行過程中能夠加快數據的傳輸，采取多通道的傳輸方式展示出虛擬環境中的漫游場景，從而給船員一種身臨其境的感覺，同時也是虛擬技術與運動模式之間的一種融合體驗[4- 5]。

1 大型艦船艙內空間優化策略

1.1 艦船的虛擬化需求分析

視覺是人類感受自然最為直觀的一種方式，一個舒適柔和的光線或是搭配適宜的色彩，都可以為人的視覺感官帶來一定的放松，從而提升其對身邊所處環境的舒適感。因此基于VR 技術對艙內空間進行交互式設計，并借助圖像分割對艙內空間進行合理劃分，可以更為細致全面地描述出艙內主機、通訊導航設備、操舵系統、通道系統等細節，在營造視覺舒適度的同時，加強船員對艙內零部件的熟悉程度，提升船員工作效率。

1.2 船艙虛擬環境的互動

通過對大型艦船不同功能的船艙進行劃分，可以對應采用不同的行為以及空間進行分析，因此通過空間設計、交互式設計、VR 技術進行聯合運行，可以讓大型艦船艙內環境與船員行為達到一個高度的統一，降低因為不熟悉艙內空間而導致不良事故的發生?，F如今，隨著船舶工業化的發展，越來越多的設計者開始從建筑空間的角度圍繞大型艦船展開了艙內的舒適度設計，旨在行為舒適度上能夠滿足船員的一日生活需求。此外，目前有不少學者在具體的材料選擇上進行了充分考量，通過適當的引入人機工程學相關理論知識，在空間的分割過程中可以借助大型艦船艙內墻體等物體進行針對性的設計，從而滿足船員在作業的時候能夠合理有序地安排行為流線，提升其在艦船艙內的行為舒適度。

2 大型艦船艙內虛擬現實空間圖像分割理論分析

虛擬現實圖像分割是從圖像中抽取有意義的部分或區域，進行分割后并提取出有用參數。尤其是在軍事領域得到很大的運用，有助教官對監察對象的相關背景進行分析。因此引入人工智能的圖像分割技術，從關鍵環境中抽取出所需要的像素域，需要對每個像素點進行計算。

自適應閾值判定方式，在實際應用中，能對圖像的灰度特征進行自適應識別，具體分為圖像背景和物體本身2 個圖像區域。

大型艦船艙內空間結構如圖1 所示，背景與對象的類型間差異愈大，則表示2 個要素的差異愈大，而將局部目標錯誤劃分為背景或局部背景錯誤則會使2 個區域的差異減小。所以，最大類間差異分割是最小的錯誤概率。對于圖像I（x，y），用T表示前景（也就是對象）和背景的劃分閾值，并且屬于前景的像素點數量在整個畫面中的比率用歐ω0表示，其平均灰度μ0；在整個圖像中，背景像素點的數量為μ1，其平均灰度值為μ2。用μ表示圖像的整體平均灰度，用g表示類間方差。假定圖像的背景為黑色，圖像尺寸為M×N，而在圖像中，如果像素的灰度值低于像素數量閾值，則被記錄為N0，反之則為N1，則可算出：

圖1 大型艦船艙內空間結構圖Fig.1 Spatial structure of large ship cabins

3 基于虛擬現實技術的艙內空間特征提取

3.1 虛擬艙內空間面積的計算

區域面積是指大型艦船艙內空間一個大致的形貌特征。本文統計的艙內區域面積大小與艙內的各種像素有關，而與艙內灰度變化無關。其中像素值為1 說明艙內有可以捕捉到的設備，像素值為0 則代表艙內背景。據此列出艙內面積分割公式為：

式中：R為艙內各設備像素的集合，通過對艙內圖像進行分割，得出區域面積。

利用對大型艦船艙內空間的圖像分割技術分析結果，結合統計學分析數據，對本文選取的某大型艦船艙內空間面積進行估計，計算第k個點y坐標，得出公式：

式中，εi為第i個鏈碼值。計算大型艦船艙內相應的邊界面積為：

3.2 艙內作業區域的質心

大型艦船艙內空間目標的質心。是指艙內相關設備在圖像中的重心位置。本文對大型艦船艙內空間相關設備MN 的數字圖像設為f（x，y），其區域質心定義如下：

基于以上二值圖像，對大型艦船艙內空間的灰度變化進行分析，并借助幾何矩來計算目標大型艦船艙內空間的質心，定義如下：

最后得到灰度變化量隨樣本數量的變化曲線如圖2所示?？梢园l現隨著樣本數量的增加，灰度變化量也隨指數倍上漲，上漲速度也越來越快。

圖2 灰度變化量隨樣本數量的變化曲線Fig.2 Variation curve of grayscale variation with sample size

通過準確描述大型艦船艙內空間設備在圖像中的方向，可以提高操作人員對空間目標的操控精度，在進行艙內物品互動操作時，通常需要先將空間物體的最小慣量軸的最小值E對其進行定義：

式中：r為點（x,y）到該直線的垂直距離。

中心距為：

大型艦船艙內的空間圖像區域方向，計算為：

3.3 虛擬區域的周長

為了準確獲得大型艦船艙內空間的周長和三維空間尺寸，一般需要對以下幾種區域的邊界進行計算：

1）區域和背景交界線的長度；

2）區域邊界8 鏈碼的長度；

3）邊界點數之和。

設區域的周長是L，其周長計算如下：

最終，在對大型艦船艙內空間各部分進行系統的收集及計算后，基于VR 技術對其建模，搭建艙內空間環境，并對其舒適性進行改造。

4 基于虛擬現實技術的大型艙內空間布局設計

基于圖像分割技術，結合使用VR-BWS 虛擬場景，對大型艦船艙內空間進行虛擬現實交互式設計。

4.1 艙內空間優化步驟

步驟1 優化空間物體邊緣過渡的流暢性。為了使空間形成形式美的規律，它樸素的幾何形體，經過合理利用，還可以使空間形式多樣化、抽象化。而在空間的優化思路上，則需要秉承著以人為本的設計原則對其進行合理規劃，旨在為船員改善艙內空間生活及工作品質。

步驟2 對虛擬艙內環境進行渲染?；赩R 技術對艦船艙內空間進行優化，要充分考慮到現實空間的采光需求，因此在進行優化的過程中，不僅需要將諸如齒輪箱、變距槳、舵機等不需要頻繁由船員操作的機電系統進行隱藏，保持艙內美觀，同時也需要在空間優化設計方面更加重視色調的統一。并且艙內設計在色彩的運用上，也需要保持色調的統一，避免船員在工作中被過于絢爛的色彩干擾，因此在艙內色彩的選擇上，可以將主色調控制在3 種顏色以內，并通過同一種顏色的大范圍使用，確?？臻g純粹性。此外，艙內恰當的留白，也可以讓空間更純粹、靈動與自然，給船員營造出一個靜謐恬靜之感，從而提升船員的舒適度。

4.2 三維虛擬現實模型的建立

使用3dMax 軟件對當前環境初步設計，完成設計后使用3ds 格式保存當前數據，然后使用Multigen Creator 軟件對當前數據進行處理，通過Multigen Creator對每一個涉及到的零件創建數據庫，再通過Multigen Creator 對當前已有圖片進行編輯，也可以刪除不合理圖片，同時還支持后期能夠調整或增加零件的功能。

在相關參數上，首先基于某大型艦船的相關數據資料完成艙內空間數據庫的創建，然后再使用Open Flight 軟件實現對數據庫的優化，同時也能更好地展示出仿真的作用，最后得出三維模型。建模精度隨時間變化曲線如圖3 所示?？芍?，虛擬環境中物體的建模精度始終處于相對穩定的變化區間內，建模精度非常高。

圖3 建模精度隨時間變化曲線Fig.3 Modeling accuracy versus time curve

4.3 虛擬模型數據的融合及優化

模型建造前還需要檢測當前環境是否合理，可采用美國環境系統研究所研發的ARC/INFO 工具進行數據融合處理 ，其中遇到不合理的地方時可以通過調整數據輸出的方式改變地形。

關于艙內各空間地形的展示，也離不開數據和數字高程模型，高程模型能夠更好的將整體化分為大小相等的網格狀，每個網關都代表不同點位的數據信息。采用三維方式建模時，需要提前將DEM 數據通過Multigen Creator 軟件對當前格式修改。

修改后的數據可使用CAT 對地形模型初步建造，同時會將多余數據簡化。模型建造時不同網格表現形式有較大變化，與理想狀態不符或者需要修改時可采用Multigen Creator 軟件重新調整，然后再采用特殊的投屏方式展示出來，投屏時可采用經緯度的方式展示，以便能夠更好地觀看艦船艙內的三維虛擬全景。

4.4 設計結果

本次關于大型艦船艙內空間優化，通過3D 建模得出了如下圖4 所示的大型艦船艙內空間整體效果意向圖。整個三維圖像非常逼真，各個物體之間的過渡也非常平滑，說明虛擬現實效果非常好。

圖4 大型艦船艙內空間整體效果意向圖Fig.4 Intention diagram of the overall effect of the interior space of large ships

5 結 語

使用三維虛擬現實技術能夠在計算機中實現大型艦船艙中不同場景的變化，系統會根據船員的需求提供不同的功能和性能，通過三維系統的建模和參數優化，艙內的各個功能塊圖像能夠良好的融合，然后利用Multigen Creator 軟件對艙內的空間布局進行大量的自動優化，能夠最大化合理利用艦船的空間。