數字媒體技術船舶航行環境模擬研究

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摘要:船舶航行環境模擬器是一個面向船員訓練的仿真系統，交互性良好的船舶航行環境模擬器可以提高船員訓練的效率，節約資源。本文利用數字媒體技術開發一種船舶航行環境模擬器，采用的數字媒體技術包括三維建模技術、GPU編程技術、OSG虛擬引擎技術等，該航行環境模擬器能夠模擬船舶操作過程的海洋、光照等動態環境，具有較大的應用潛力。

關鍵詞：數字媒體技術；虛擬引擎；三維建模；GPU編程

航海模擬器的作用是為受訓人員提供一種模擬環境，使受訓人員產生身臨其境的船舶駕駛感，從而提高人員的訓練效果。視景系統是船舶航行模擬器的關鍵組成，利用視景系統可以模擬船舶駕駛過程中的周圍環境變化，包括海浪、光照、障礙物等。航海模擬器能夠降低船舶駕駛人員的訓練成本，提高訓練效果，目前已經獲得廣泛的應用。數字媒體技術的核心是利用計算機的數據處理能力，結合互聯網技術搭建一種虛擬場景，為用戶提供一種具有交互性的環境。近年來，數字媒體技術獲得了各種工業領域的重視，基于數字媒體技術的船舶航海模擬器的開發成為一項熱點研究[1]。本文開發一種基于數字媒體技術的船舶航行環境模擬平臺，介紹了航行環境模擬平臺的基本構成，對平臺的環境模擬原理進行了詳細的研究，包括三維建模、GPU程序開發和環境渲染等，本文的研究有助于船舶航行環境模擬器的技術進步。

1船舶航行環境模擬平臺的整體設計

船舶航行環境模擬平臺的開發目的是為用戶提供一個模擬視景，用戶在操作模擬平臺時，視景環境會隨著平臺操作發生變化，從而提高用戶的訓練體驗。本文建立的船舶航行環境模擬平臺包括主控機、多自由度運動平臺、測量平臺、數據采集平臺和太陽模擬器等，整體結構如圖1所示。船舶航行環境模擬平臺具備的功能包括：1）多自由度運動控制功能模擬平臺為了能夠模擬船舶操作過程的運動特性，在搭建模擬平臺時采用了六自由度運動平臺，可以模擬船舶運動過程的前進、后退、橫搖、縱搖、垂蕩等運動形式。模擬平臺的運動參數設置包括經緯度、運動姿態、航行速度等，用戶可以根據訓練需求進行模擬平臺的運動控制。2）三維顯示功能三維顯示功能是指船舶航行模擬平臺的視景環境是一個三維環境，隨著用戶對模擬平臺的運動控制，用戶面對的主控機和顯示器內容會隨之發生變化，形成一種動態的三維場景。虛擬平臺的三維顯示功能依托于數字媒體技術的三維建模和渲染技術，本文采用MultigenCreator三維建模軟件構建模擬平臺的虛擬場景。3）操作和狀態記錄功能用戶在使用該航行模擬器進行訓練時，需要進行操作記錄和系統的狀態記錄，以便于后期對訓練過程進行歸納總結。系統的狀態信息主要是指船舶模型的運動姿態信息，這些信息統一存儲在模擬平臺的數據庫中。4）通信功能船舶航行模擬器具有通信功能，可以將模擬器的工作狀態通過數據打包的方式發送至計算機網絡中的其他設備。

2數字媒體技術在船舶航行環境模擬器中的應用

2.1三維建模技術

船舶航行環境模擬器的三維建模直接決定了模擬器的使用效果，常用的數字媒體三維建模軟件包括3DMAX，MultigenCreator，CREO等[2]，其中，3DMAX軟件具有強大的模型渲染功能，可以實現逼真而豐富的局部細節，一般在進行精細化建模時采用3DMAX軟件；MultigenCreator在大型場景建模方面更有優勢，建模速度快、效率高，本文采用的是MultigenCreator軟件。航行環境模擬器的三維建模包括環境數據采集、數據網格化處理和平臺建模等流程，如圖2所示。本文使用MultigenCreator軟件主要完成了2種虛擬場景的三維建模，分別是機艙駕駛室內景建模和航行環境外景建模。1）機艙駕駛室內景建模為了提高受訓人員的實際操作體驗，船舶航行環境模擬器的內景建模參考了船舶駕駛室布局和設備外型等信息，建模時首先對實際場景進行拍攝，同時對駕駛室中的設備外型尺寸進行測量，在MultigenCreat-or軟件中建立1∶1的設備模型。2）航行環境外景建模船舶航行的虛擬外景模型跟普通模型一樣，也是由基本的點、線、面組成，不同于駕駛室內景設備的一比一建模，大型場景的三維建模采用的是數據點直接生成曲面，再由曲面生成三維模型的過程。這些離散的數據點稱為場景的DEM高程數據點[3]，是由衛星、水文探測器等設備采集而來的。此外，航行環境模擬器的外景模型還需要通過線性插值法進行優化，在MultigenCreator軟件中可實現快速的曲面插值。

2.2基于GPU軟件程序的環境模擬圖像渲染

經過幾十年的不斷發展，GPU技術已經具備了高性能的圖像處理和渲染能力，目前，GPU技術在動畫、視頻游戲等方面有廣泛的應用。目前，基于GPU的圖像處理流程簡單，靈活性高，且圖像處理效果好。圖3為GPU圖像處理的功能流水線示意圖。可知，GPU圖像處理的功能流水線包括圖像輸入、著色器、GPU裁剪、視窗變換[4]、光柵化等，圖像渲染位于航行環境模擬器的主控機中。

2.3基于OSG的航行環境模擬器引擎開發

OSG三維引擎[5]是一種底層的圖像應用庫，支持跨平臺的開發，內部集成了三維視景開發所需的多種圖1船舶航行環境模擬平臺整體組成圖Fig.1Overallcompositionofshipnavigationenvironmentsimulationplatform圖2船舶航行環境模擬器的三維建模流程Fig.2Threedimensionalmodelingprocessofshipnavigationenvironmentsimulator第43卷趙瑩：基于數字媒體技術的船舶航行環境模擬研究·41·功能，本文搭建的航行環境模擬器基于OSG數據引擎，采用MultigenCreator軟件完成三維建模，開發過程如下：步驟1　多自由平臺搭建采用多自由度運動平臺和主控機配合，形成具有多自由度的船舶模型運動平臺。步驟2　OSG三維引擎驅動設置使用OSG三維引擎需要完成構建層和交互層的初始化設置，構建層集成了模型開發所需的工具及接口；交互層負責模型的裝配、渲染。步驟3　場景建模使用MultigenCreator軟件完成內部駕駛室內景和外部環境三維模型的建模。步驟4　GPU圖像渲染將MultigenCreator的模型數據利用GPU流水線進行渲染，提高模型的逼真度。圖4為船舶航行環境模擬器的示意圖。可知，航行環境模擬器的近景為駕駛室操作臺，局部細節模型真實還原了駕駛室操作臺的實際設備；遠景為船體、海浪、天空等場景，隨著船舶航行環境模擬器的運動，周圍三維視景不斷進行變化。

3結論

海上航行環境模擬器的作用是為受訓用戶提供一個真實、交互性良好的虛擬平臺，使受訓人員在室內即可完成基本的船舶操縱訓練。本文結合數字媒體技術完成了船舶航行環境模擬器的開發，并詳細介紹了環境模擬器的開發流程及關鍵技術細節，包括GPU圖像渲染、MultigenCreator軟件三維建模等。

參考文獻：

[1]蘆鴻雁,李斌兵.MultigenCreator三維建模的關鍵技術與實踐[J].計算機與信息技術(Z1期):23−25.

[2]杭燚,王曉鋒,楊國來,等.基于MultiGenCreator/Vega的虛擬現實仿真系統[J].彈箭與制導學報,2007,27(1):339–342.

[3]王曉宇.基于虛擬現實技術的分布式三維室內設計系統設計[J].現代電子技術,2019,42(539):191–194.

[4]朱江,時圣軍.綜合自然環境建模與仿真技術在訓練模擬器中的應用[J].飛機工程,2008(3):71–75.

作者：趙瑩 單位：山東電子職業技術學院數字媒體系