船舶操纵模拟器视景仿真系统构架设计

王五桂



船舶操纵模拟器视景仿真系统构架设计

王五桂

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

根据船舶操纵模拟器功能实现的实际需要，本文提出一种7通道270°宽视场角环幕投影构架方案。基于视景仿真系统的建设目标，完成了硬件构架和软件构建的设计。并通过船舶操纵模拟器试验室空间的实际大小，完成构架方案的空间布局设计，并对布局设计进行光路效果分析。结果表明，所提出的视景系统构架方案能够满足船舶操纵模拟器真实沉浸感的要求。

船舶操纵模拟器 视景仿真 架构

0 引言

船舶操纵模拟器在仿真、功能和应用方面具有极其重要的作用和社会效益[1][2]。其核实是建立准确的船舶运动数学模型[3]和依托虚拟现实技术[4][5]建立视觉上逼真和高沉浸感的视景仿真系统。视景仿真系统能够模拟船舶航行的航行姿态和虚拟场景，一方面，使得能够在试验室条件下对船舶运动控制性能进行有效评估及检验，减少实船试验次数，降低成本，缩短开发周期，优化控制系统等目的，另一方面，也是对船舶操纵人员进行实际操作能力培训的一种有效的途径。

视景仿真系统是以航行操纵模拟器输出的数据为依据，利用视景仿真技术等手段，通过三维视景仿真方法直观、逼真地呈现船舶操纵中的各种操作和业务流程，并利用三维建模方法将本船、实际场景、海面自然环境等元素可视化呈现。通过三维环境中对模型对象的操作展现船舶的航行状态，能够为船舶操纵控制性能研究和船舶操纵控制系统设计与论证提供更加直观、更加丰富的参考依据。

1 视景仿真系统总体结构及建设目标

视景仿真系统主要由显示系统、视景仿真渲染集群、管理终端、仿真模型数据库服务器等部分组成，船舶操纵模拟器视景仿真系统网络拓扑结构如图1所示。通过仿真服务器系统路由器连接到船舶操纵模拟器中，模拟器向仿真服务器提供船舶运动各种信号，并在显示系统中实时反应。

视景仿真系统主要建设目标如下：

1）显示系统能够提供大尺寸、高分辨率显示画面，能够模拟真实操作环境，具有高真实感、高沉浸感，在船舶操纵模拟器中能够得到较真实的操纵体验[6]。

2）显示系统要求优先采用弧形幕或者具有更高真实感的显示系统方案，显示系统画面应无明显接缝、显示范围应覆盖全部视觉可观察范围。

3）建立多种仿真模型数据库，包括本船、副本船及其他参照船舶模型。

4）构建三维虚拟现实场景，包括：港口，机动航行，窄水域导航、系泊、锚定、靠泊，海上补给，导航等，模拟展现船舶在多种海况下多工况下作业过程。

5）建立相应的模拟环境和气候条件，如逼真模拟白天、黄昏、夜晚，雨、雪、可穿透及不可穿透的大雾等，使得视景仿真系统环境模拟可满足各种气候条件的船舶操纵与航行[7]。

2 视景仿真系统硬件构架设计

根据对船舶操纵模拟器视景仿真系统主要业务和功能要求，系统的硬件部分主要由投影显示分系统、图形生成分系统、中央控制分系统、音响分系统和配套保障分系统组成，如图2所示。

视景仿真系统的硬件设备主要通过各种信号电缆互连起来构成整个系统的物理运行平台。投影显示分系统负责接收和处理图形生成分系统各个仿真工作站实时生成的图像进行仿真画面拼接、画面融合处理，并显示出来供参试、评估人员观看；图形生成分系统负责为三维视景软件提供运行硬件平台，中央控制分系统是整个系统的支撑性分系统，主要负责整个系统各个主要设备的控制管理（投影机控制、工作站控制等）、大厅环境控制管理（设备电源、灯光控制管理）；音响扩声分系统负责整个系统的语言发言扩声、仿真扩声等，为参试人员提供声音洪亮、音质饱满的仿真音响扩声效果，配套保障分系统负责为整个系统的运行提供电力保障、安全防范保障和运行保障等。视景仿真系统物理结构如图3所示。

3 视景仿真系统软件构架设计

船舶操纵模拟器视景仿真系统软件主要包含三个部分，如图4所示：

虚拟现实仿真开发平台分系统是船舶操纵模拟器仿真可视化系统的支撑系统，主要由三维虚拟现实引擎、专用视景效果引擎、模型编辑软件、可视化应用程序框架等组成，为整个软件系统提供三维可视化呈现、效果表现功能，以及提供软件系统基础框架，支撑分布式可视化仿真、数据处理、同步控制等基础支撑功能。

视景仿真可视化分系统利用三维虚拟现实技术实现高精度、高逼真度、高分辨率的船舶运动仿真视景，为船舶运动仿真提供高质量的呈现手段。能够支撑目前船舶操纵模拟器仿真应用，并能具有可扩展性，能够支撑将来其它试验和仿真的可视化表现。

三维模型资源及数据库分系统利用三维建模软件建立模拟器中的仿真船舶，仿真场景和模拟环境等，根据仿真工况供视景仿真系统调用，图5为视景仿真系统的效果。

4 视景仿真系统光路设计

根据船舶操纵模拟器试验室空间的实际大小，将投影显示屏设计成一个270°具有高度沉浸感的大型屏幕，屏幕半径7米，高3.15米的7通道特制正投金属屏幕，便于仿真环境显示。系统用7台高亮度、高分辨率投影机采用正投方式将多路计算机信号以多功能需要按不同的方式显示出来。根据船舶操纵模拟器视景仿真系统布局，并根据所选择的视景仿真系统硬件设备的性能指标，可得到光路设计示意图。

5 结语

船舶操纵模拟器中视景仿真系统的目的就是将船舶运动仿真的结果以虚拟现实的方式形象、逼真地再现出来，让操纵人员能以最直观的方式感受到船舶在海浪中是真实运动情况。根据这一实际需求出发，本文提出了一种视景仿真系统总体结构方案，根据系统建设目标，完成系统硬件构建和软件构架的设计，并通过对所设计的视景仿真系统进行光路分析，证明所设计的视景仿真系统构建能够满足船舶操纵模拟器的实际需求，为进一步开发船舶操纵模拟器奠定了基础。

[1] 屠海洋, 袁章新. 船舶操纵模拟中视景仿真的研究[J]. 中国航海, 2009, 32 (1): 106-110.

[2] 黄会营, 段晓明. 船舶运动视景仿真系统设计与实现[J]. 计算机仿真, 2012, 29 (1): 369-373.

[3] 张秀凤．航海模拟器中六自由度船舶运动数学模型[D] .大连: 大连海事大学, 2009.

[4] 肖剑波,胡大斌,高伟. 基于Vega的潜望镜视景系统设计与实现[J]. 中国舰船研究, 2008，3(3):63-66.

[5] 高伟, 巫影, 肖剑波. 基于Vega的虚拟海洋视景仿真研究[J]. 中国舰船研究, 2008，3(6):54-60.

[6] Ashdown M, Flagg M, Sukthanker R, et al. A flexible project or camera system for multi-planar displays[C]. Proceeding of Computer Vision and Pattern Recognition. Los Alamitos: IEEE Computer Society Press, 2004:165-172.

[7] 熊振南，周世波．船舶航行环境可视化仿真[J]．上海海事大学学报,2009, 30 (1): 6-9.

Architecture Design of Scene Simulation System for Ship’s Handling Simulator

Wang Wugui

（China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China）

To meet the function requirements of ship’s handling simulator, a seven channel and 270°cylindrical scene simulation system architecture is developed in this paper. Based on the aim of scene simulation system, the hardware architecture design and software architecture design are presented. Then the space distribution is designed for ship’s handling simulator laboratory，and the light path is analyzed for the space distribution. The architecture of scene simulation system can better fit in with the need of ship’s handling simulator.

ship’s handling simulator; scene simulation; architecture design

U675

A

1003-4862（2016）03-0060-03

2015-11-23

王五桂（1985-），男，工程师。专业方向：船舶航行操纵控制技