船舶机舱虚拟现实仿真系统的实现方法

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ ｒｏｏｍ ｖｉｓｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ＶＲ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｕｓｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｎａｍｅｄ Ｍｕｌｔｉｇｅｎ Ｃｒｅａｔｏｒ ａｎｄ Ｖｅｇａ ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗ：ｔｈｅ ｓｃｅｎｅ ｄａｔａｂａｓｅ，ｉｎｓｔａｎｃｅ，ｅｘｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，ｔｅｘｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｖｉｓｕａｌ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ ｒｏｏｍ ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｇｅｎ Ｃｒｅａｔｏｒ； ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｗｏ ｗａｌｋｔｈｒｏｕｇｈ ｍｏｄｅｓ：ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｗａｌｋｔｈｒｏｕｇｈ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗａｌｋｔｈｒｏｕｇｈ ｕｓｉｎｇ Ｖｅｇａ；ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｃｈｅｃｋ—ｕｐ ｉｎ ｒｏａｍｉｎｇ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ ｒｏｏｍ．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｉｓｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｒｏｏｍ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ ｒｏｏｍ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｌｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂｕｉｌｔ ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ ３Ｄ ｓｃｅｎｃｅ ｏｆｍａｒｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ ｒｏｏｍ ａｎｄ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｃｏｕｌｄ ｒｏａｍ ａｎｄ ｄｏ ｓｏｍｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｏｎｉｔｏｒｓ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ． Ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ ｒｏｏｍ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ａｌｓｏ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｓｅａｍａｎ
实例化是计算机图形学里为节省计算机的运行开销而 采用的一种算法。当构造多个相同形状和相同属性的物体 时，如果采用正常的拷贝手段，每增加一个物体，多边形的 数量就增加一倍，而采用实例化技术，可以在增加同类物体 数量时不增加多边形数量。例如，在虚拟机舱场景中，共有 七台分油机，它们差别仅在于其位置和大小的不同，如果把 每个分油机都放入内存，将造成极大的浪费。所以可以采用 ｉｎｓｔａｎｃｅ的方法，即只在内存中存放一台分油机，将这台分 油机进行平移、旋转、缩放之后得到其他分油机，从而大大 地节约了内存空间。其他采用实例化技术的设备还有：主机 的１２个气缸和两台发电机等。第１９卷第１５期 ２００７年８月
系统仿真学报＠ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｖ０１．１９Ｎｏ．１５ Ａｕｇ．，２００７
船舶机舱虚拟现实仿真系统的实现方法
孙俊，陆畅，逢守文
（武汉理工大学能源与动力工程学院系统仿真与控制研究中心，武汉４３００６３）
摘要：详细介绍了运用ＭｕｌｔｉＧｅｎ Ｃｒｅａｔｏｒ和Ｖｅｇａ等软件实现具有ＶＲ特征的船舶机舱虚拟现实 仿真系统的方法，其中主要有：利用Ｃｒｅａｔｏｒ进行三维建模过程中的场景数据库层次结构技术、实
船舶轮机模拟器（Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｒｏｏｍ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ），是船 舶机舱设备管理培训系统的简称，目前己成为现代航海教育 的一种必备设施。传统的轮机模拟器是建立船舶电站、集控 台、设备控制箱和主机等机舱设备仿真模型，但是它们在实 验室中的布置与真实船舶机舱环境有很大差别，使得没上过 船的学员对于船舶机舱的真实环境并不了解，利用虚拟现实 技术，建立船舶机舱虚拟环境，使得学员可以在虚拟机舱环 境中进行漫游和操作，对于了解机舱环境，增强真实感，显 然是比较好的。因此，建立船舶机舱虚拟现实仿真系统，是 对现有船舶轮机模拟器很有益的补充，有利于提高轮机员培 训的教学质量。
收稿日期：２００６．０６．０９
修回日期ｌ ２００６－１１—０９
作者简介：孙俊（１９６８．），男，湖北武汉人，硕士，副教授，硕导，研究方
向为系统仿真与控制和视景仿真；陆畅（１９８２．），男，安徽人，硕士生，研
究方向为视景仿真；逢守文（１９８３．），男，山东人，硕士生，研究方向为视 景仿真。
培训等领域都有相关应用，但在船舶轮机仿真领域，虚拟现 实技术的应用较少。目前国内有清华大学、大连海事大学合 作进行过该方面的研究，并于２００１年成功研制出了我国首 台基于虚拟现实的船舶轮机仿真训练系统。
文根据船舶机舱场景和机舱设备的特征，对机舱场景整体框 架的构建和各种机舱设备的构建分别采用空间位置划分和 逻辑划分。“新青岛号”５６００箱远洋集装箱船机舱空间较大， 共有四层，因此在模型的组织结构中采用空间位置划分的方 法，每一层结构设置一个Ｇｒｏｕｐ节点，在该节点下，每一层 中不同的舱室也单独放置在一个Ｇｒｏｕｐ节点下。对于机舱中 分布在不同层的机舱设备，因其特征尺寸较小，因此都根据 设备部件的名称和功能来划分，即逻辑划分。 ２．１．２实例化技术
舶机舱虚拟现实仿真系统应具有以下几方面功能： １）虚拟机舱场景漫游。根据实船机舱场景，建立逼真
的虚拟场景三维模型，实现对虚拟场景的实时驱动。实现可 控制漫游和自动漫游两种漫游方式。在可控制漫游方式下， 漫游者可以随意改变观察者的视角和位置，控制观察者在虚 拟机舱中漫游；在自动漫游方式下，系统根据设定好的路线 自动漫游；在漫游过程中可以通过菜单实现可控制漫游方式 和自动漫游方式之间的切换，及不同观察者初级位置之间的 切换。
Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｒｏｏｍ Ｖｉｓｕａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ
ＳＵＮ Ｊｕｎ，ＬＵ Ｃｈａｎｇ．ＰＡＮＧ Ｓｈｏｕ—ｗｅｎ ｆＳｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）
２．１三维虚拟场景的建立
武汉理工大学船舶轮机模拟器是以中海集团的“新青岛 号”５６００箱远洋集装箱船为仿真对象，在对该船机舱内设 备布置进行细致的了解后，使用Ｃｒｅａｔｏｒ和３ｄ ＭＡＸ三维建 模软件首先建立各设备的模型，然后根据实船布置，建立出 船舶机舱虚拟场景，其中主要用到了下列主要技术和方法。
逼真的船舶机舱虚拟场景，实现了人在虚拟机舱环境中的漫游，可以对虚拟场景中主要运动部件的 驱动，是对现有船舶轮机仿真器有益的补充，有利于提高轮机员培训的教学质量。 关键词：船舶机舱；虚拟现莞仿真系统；方法
中图分类号：ＴＰ３９１．９
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４—７３１Ｘ（２００７）１５．３４５６—０４
２）实现虚拟机舱设备与船舶轮机模拟器之间的互操 作。建立与船舶轮机模拟器之间通信，实时接收模拟器的数 据，保持虚拟场景中虚拟设备的状态与船舶轮机模拟器相应 设备状态一致；通过对虚拟机舱中相关设备的控制，实现对 轮机模拟器的操作。
３）建立完善的碰撞检测；在可控制漫游方式下，漫游 者控制的观察者在机舱中漫游时，当接触到机舱中的设备和 墙壁时，做出必要的反应，以增加场景漫游的真实感。
２．１．１场景数据库层次结构
一个场景中的对象模型的组织结构（即场景数据库层次 结构）对视景系统的运行质量有极大的影响。适当的组织结 构是用户创建满足自身需要模型的关键技术。Ｃｒｅａｔｏｒ三维 模型的数据格式为ＯｐｅｎＦｌｉｇｈｔ结构，ＯｐｅｎＦｌｉｇｈｔ采用层次化 的结构来存储三维模型，这样便于整个模型的管理。在描绘 一个大型虚拟环境时，往往会涉及到虚拟场景中各实体的具 体结构和详细状态。因此，在建立这个庞大的场景之前，应 该根据虚拟场景中每个实体的几何空间位置，以及模型间的 结构关系，确定虚拟场景中所有实体模型的树状层次结构。 这种分层结构可以使用自顶向下的方法将一个模型对象分 解，也可以使用自底向上的构造方法重构一个模型对象。对 于三维模型在集合层上的抽象（即Ｇｒｏｕｐ的划分）是 ＯｐｅｎＦｌｉｇｈｔ建模的关键。Ｇｒｏｕｐ的划分有逻辑划分和空间位 置划分。逻辑划分是按照物体本身具有的功能属性划分，本
下面简要介绍武汉理工大学船舶轮机模拟器项目中船 舶机舱虚拟现实仿真系统的功能设计和实现方法。
１船舶机舱虚拟现实仿真系统的功能
根据船舶轮机模拟器功能的需要及实际应用的需求，船
万方数据
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第１９卷第１５期 ２００７年８月
孙俊，等：船舶机舱虚拟现实仿真系统的实现方法
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为实现以上功能，决定使用ＭｕｌｔｉＧｅｎ Ｃｒｅａｔｏｒ和３Ｄｍａｘ 进行三维建模，使用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０创建基于ＭＦＣ的Ｖｅｇａ 应用程序框架，利用Ｖｅｇａ的ＡＰＩ函数实现漫游功能。通过 与船舶轮机模拟器仿真支撑平台ＳＥ２０００数据通信，实现与 轮机模拟器的相互操作。
２船舶机舱虚拟现实仿真系统的实现方法
２．１．４纹理映射技术 纹理映射是一种将二维图像映射到一个几何形状上来
产生特殊效果或真实感的一种技术，并不是实际的几何模 型。之所以应用纹理映射技术，一方面是由于在虚拟机舱场 景中有大量不规则物体需要模拟，如机舱内部的大量规模较 小的实体，常用的方法是通过分形、粒子、布尔等算法构造 大量三维体组合而成，而这种建模方法在逼真度提高的同时 是以大量系统资源的耗费为条件的。在虚拟场景模拟中，采 用纹理映射技术可以较好地模拟这类物体，同时实现逼真度 和运行速度的平衡。另一方面，对于复杂实体模型，采用纹 理映射可以模拟出丰富的细节，简化模型的构造过程，降低 实体模型的复杂度，同时还可以赋予模型鲜明的色彩、贴图 特征等。
例化技术、外部引用技术、纹理映射技术和实时视景生成技术等；利用Ｖｅｇａ实现船舶虚拟机舱的 自动漫游和手动漫游方法以及漫游过程中的碰撞检测技术等；首次实现了与船舶轮机模拟器之间 通信，实现虚拟机舱与轮机模拟器之间的相互探作，保持虚拟场景中虚拟仪表、虚拟指示灯等部