船舶航行环境可视化仿真

熊振南　周世波

摘 要：为制定大型船舶和危险品船舶的监管方案，提高海事管理部门应对各种危险情况的能力，降低实际训练的成本和风险，采用虚拟现实技术构建船舶航行环境仿真系统.该系统利用ArcGIS和Creator等可视化建模软件建立三维地形和船舶、航标等三维实体，以Vega管理三维场景，模拟雾、白天、黑夜等自然现象.系统在湄洲湾LNG船舶监管方案设计中得到实际应用，为LNG船舶监管方案的设计和优化提供辅助和支持.

关键词：虚拟现实； 航行环境； 仿真

中图分类号：U644.3; U666.158; U675.9文献标志码：A

Visual simulation in navigational environment

XIONG Zhennan, ZHOU Shibo

(Navigation Institute, Jimei Univ., Xiamen Fujian 361021, China)

Abstract： In order to establish the supervision schemes for large ships and dangerous cargo ships, help the maritime safety administration to improve the ability of dealing with the various dangerous situation, reduce the drilling cost and risk, a visual navigational environment system is established adopting the technology of the visual reality. In this system, 3D entities such as 3D terrains, ships and navigation marks are set up by the help of the visual modeling software of ArcGIS, Creator, etc. 3D environment is supervised by Vega to simulate the navigational environment such as fog, day and night. The system has been applied in the supervision project for LNG vessels navigating in Meizhouwan to provide assistance and reference for designing and perfecting the supervision schemes.

Key words： virtual reality； navigational environment； simulation

0 引 言

保证大型船舶和危险品船舶的航行安全是海事主管部门的重要工作.为保证监管方案的可操作性和可靠性，需要在实践中不断调整和优化不同船舶的监管方案，不仅增加经济成本，而且存在一定的安全隐患.因此，利用虚拟现实技术构建船舶航行环境，真实再现船舶周围的地形、水文、助航设施和交通流等情况，使海事管理人员在较短时间内不断演练事先制定的监管方案，在演练中调整和优化该方案是比较经济和安全的做法.

本文结合湄洲湾LNG船舶监管方案设计，介绍虚拟船舶航行环境的组成和可视化仿真方法，并对可视化仿真中建模技巧、数据的简化和处理方法等进行阐述.

1 船舶航行环境仿真

船舶航行环境指航行中除人员与设备以外的客观环境.从航行涉及的客观因素分析，航行环境包含地理环境、气象环境、水文环境与通航环境等，它们的空间形态随航行过程演变，具有多维性.如果把航行环境作为1个系统，其功能就是构成航行的空间载体与物理条件，航行环境中各类环境的相互关系构成该空间载体的有机整体.运用虚拟现实技术模拟航行环境，首先需要把航行环境数字化，即建立航行环境的数字模型，这是航行环境可视化仿真的基础，通过三维地形、声效和海浪等要素展现航行环境.船舶驾驶员通过一定的操作界面感知周围环境，达到辅助熟悉环境、掌握态势和辅助决策等目的，这种“环境感知化”的结果供人脑认识船舶周围环境.在航行环境仿真中，根据地形、船舶等模型驱动而改变的数据通过可视化展现，使用人员通过人机交互感知周围环境［1］，见图1.

2 虚拟航行环境系统的组成和功能

船舶航行时驾驶员最关注船舶周围的地形、助航设施、气象条件以及与其他船舶的会遇态势等与航行安全相关的因素.因此，虚拟航行环境应包括：三维地形；实体模型，如人文地理环境、船舶、助航设施和码头及其附属设备等；水文气象，如云、雾、雨、雪和昼夜变化等.此外，为逼真表现特定区域的自然情况，还应包括烟雾与火灾等特殊效果，用于船舶的应急演练、航行过程的记录和回放以及训练结果的评估等模块.

通过分析航行环境仿真的功能要求，结合湄洲湾LNG船舶监管方案设计仿真系统的实践，采用ArcGIS和Creator处理地形数据和构建三维地形，采用Creator作为三维实体模型创建工具，实现船舶、助航设施、码头及其附属设施以及岸上建筑物等三维模型的创建；采用Vega作为场景驱动平台，实现场景显示、船舶漫游、视点控制、对象拾取、碰撞检测与特效显示等操作和控制.通过虚拟航行环境的可视化仿真，可以逼真模拟以陆地、岛屿、岸基、海面、码头和助航设施等各种要素组成的三维海域虚拟环境，以及白天、夜晚、能见度不良或不同级别风浪等复杂海况下船舶周围不同的环境，直观、形象、全面地把周围景观和助航设施表现出来，并提供基于空间特征和属性特征的信息查询、距离度量、报警实时响应以及综合监控等功能.［2］

3 航行环境可视化仿真实现

3.1 三维地形的生成

三维地形可视化是现实世界中真实地形的再现，真实度高，必须采用具体数据构造.地形的生成多采用数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）建立地形的网格模型，然后通过纹理映射与光照等技术，再现真实地貌，见图2.

DEM数据可以从多方面获取，如电子海图或扫描的纸质海图，经过Photoshop和ArcGIS等工具处理和转换得到，通过航拍图片或卫星图片获取的高程数据可以为地形模型的建立提供详细信息，是生成DEM的重要数据源.

数据的预处理包括两方面内容：(1)对数据进行分割.大规模的地形可覆盖范围较大，生成地形的三角形数目可达几十万甚至数百万个，因此，不能一次性将所有的地形数据调入内存，而是根据实际情况将大地形分为若干个小地形，再分块操作，以保证显示的流畅.(2)对数据的误差进行修正.数据采集的方法不同，其精度和可靠性也不同.同时，由于数据采集误差、数据转换时的信息损失以及技术处理误差等原因，原始数据不可避免地包含各种误差和错误，因此，必须进行查错和相应的处理.具体方法是对建立的初步模型和实际数据进行对比分析，查看与实际地形地貌的差异.一般存在的问题主要包括等高线出现断线、某些位置缺少高程点和边界轮廓没有界限这3点，相应的处理策略是根据原始数据添加一些控制点，连接断线和手工添加边界等.

用Creator加载处理过的数据就可转化为三维地形，再进行纹理和细节层次（Levels of Detail, LOD）处理，生成真实感的三维可视化地形.图3为实际生成的湄洲湾三维效果.

3.2 实体建模

实体的几何建模技术是航行环境可视化仿真中最重要的内容之一，其研究对象是物体几何信息的表示与处理，涉及表示几何信息的数据结构以及相关的构造与操作该数据结构的算法.虚拟航行环境中的每个物体包含形状和外观2个方面，物体的形状由构成物体的各个多边形、三角形和顶点等确定；物体的外观由表面纹理、颜色、光照因数等确定.物体形状的细节层次由构成物体的多边形数量决定.物体的外观特征是表面反射属性和表面纹理，表面反射需要考虑光源的位置和类型；纹理能增强物体的细节层次和真实感，也能提供三维空间感，且显著减少物体需要的多边形数目，提高显示刷新率.图4为制作的散货船三维模型.［5］

3.3 运用多重层次细节

虚拟航行环境运行是否流畅的重要标准是人机交互响应的能力.当交互响应达到实时时，视觉上表现为场景随交互过程而连续平滑地变化；当交互响应有明显延时时，视觉上表现为场景的停滞和抖动变化.因此，影响交互能力除系统硬件对场景数据处理和显示的性能外，还与场景的数据量有关.在建构虚拟航行环境系统时，要充分考虑场景的数量.在航行环境仿真中，参与可视化处理的场景数据包括三维地形、实体模型、烟火特效以及声效等数据，数据量庞大，为实现大数据量的实时交互显示，在保证航行环境显示细节的前提下，必须使参与实时处理的场景数据最少，以保证交互响应的效率.

LOD是1组代表三维模型数据库中同一物体具有不同细节程度的模型对象，不同细节程度版本模型的多边形复杂程度也不一样，细节程度越高的模型对象所包含的多边形数量也越多.在可视化仿真运行过程中，系统以当前视点到所包含区域中心点距离作为切换依据，对场景中的不同物体或物体的不同部分，采用不同的细节描述方式.在绘制场景中的物体时，根据视点远近选择“粗糙”或“精细”的模型来减少场景的几何复杂性，优化总的显示面数，减少实时渲染的开销，有效增加仿真系统的绘制效率与视觉效果.［3-4］在航行环境仿真中，三维模型的LOD有2个层次：第1个层次针对整个场景，在距离当前视点较远的地方，较小的物体如房屋、码头上的低矮建筑物以及船舶等不在场景中显示，同时，远处的山脉、岛屿和大的建筑物，采用“粗糙”的、细节程度不高的模型在场景中绘制；第2个层次针对单个的三维模型，在场景的不同LOD阶段使用适当细节程度的模型绘制.

3.4 场景数据管理和驱动

在可视化仿真系统运行过程中，根据当前的视点位置，连续在模型数据库中搜索当前可见的三维模型，将其实时渲染.判断当前视点下场景中三维模型对象可见的标准是看三维模型是否落在当前视点的观测体有效范围内，即系统模型数据库中所有组节点是否与观测体相交，如果不相交，组节点及其子节点会在当前帧被剔除，这些节点也就不会渲染在场景中.［3］在航行环境场景数据的管理中，采用空间结构组织数据，即根据三维模型对象在场景中的具体位置组织数据，场景中所有三维物体都按照其真实的空间位置进行分组.使用这种场景数据管理方式，系统可以快速判断哪些区域在当前的可视范围内.由于按照空间结构进行分组可以组节点为单位进行可见性判断，不用遍历不可见的其他三维模型，系统处理速度提高.

Vega是美国Multigen Paradim公司用于虚拟现实、实时视景仿真及其他可视化领域的应用软件工具，将易用的工具和高级仿真功能巧妙结合，使用户以简单的操作迅速创建、编辑和运行复杂的仿真应用程序；Visual C++ 6．0的MFC包含强大的窗口和事件管理函数，成为Vega的主要工作平台.系统采用Visual C++ 6．0与Vega实现实时仿真程序设计.图5为湄洲湾首艘LNG船舶“SERIALAM”实际靠泊与湄洲湾LNG船舶监管方案设计三维仿真系统运行效果对比.

4 结 论

随着虚拟现实技术的不断发展和虚拟航行训练对环境仿真效果要求的不断提高，航行环境可视化仿真仍有许多关键技术有待研发，特别是三维场景的逼真度和大规模场景的实时渲染有待进一步提高.依据虚拟航行环境的组成和功能要求，开发湄洲湾LNG船舶监管方案三维仿真系统，实际应用表明符合需求，为LNG船舶监管方案的制定和优化提供科学的辅助支持.

参考文献：

［1］游雄. 基于虚拟现实技术的战场环境仿真［J］. 测绘学报, 2002, 31(1): 7-11.

［2］彭国均, 翁跃宗. 三维仿真技术在航标管理中的应用研究［J］. 中国航海, 2007(4): 17-21.

［3］王乘, 周均清,李利军, 等. Creator可视化仿真建模技术［M］. 武汉: 华中科技大学出版社, 2005: 184-192.

［4］关克平, 王胜正, 陈锦标, 等. 一种新的生成航海模拟器视景地形数据库文件的方法［J］. 上海海运学院学报, 2003, 24(3): 213-216.

［5］万刚, 夏青, 陈刚, 等. 虚拟地景仿真中地物的几何建模技术［J］. 系统仿真学报, 2001, 13(S): 73-76.

(编辑 陈锋杰)