基于VR的船舶虚拟样舱可视化体验平台开发

王 真

(中船第九设计研究院工程有限公司， 上海 200063)

0 引 言

船舶内装设计是船舶设计的重要组成部分，传统的内装设计大多数通过图纸和效果图的形式来表达，不够直观真实，无法实时动态地变更设计风格以及设计属性信息，如果建立实体样板舱，则存在更新迭代快且成本高等缺点;另一方面，随着内装项目的不断积累，项目重要设计数据等宝贵资源往往以零散的碎片化形式保存，缺少一个满足个性化需求的内装项目知识库管理平台。

本文以国内极地科学考察破冰船内装工程项目为实例，基于虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术，开发船舶虚拟样舱可视化体验平台，将舱室设计信息在3D虚拟环境中真实地表达出来，让用户真正融入到内装设计中，实时获得不同的设计风格。不仅如此，该平台还可以不断扩展新的设计项目，作为项目知识库管理工具供设计人员使用，提高设计效率。

1 虚拟样舱可视化体验平台设计

1.1 平台介绍

虚拟样舱可视化体验平台将VR技术应用于船舶内装设计过程和方案表达中，探索“VR+船舶内装”新模式，平台整体开发设计需要在场景、美工、特效、主程序等各个方面做到统筹把控，包括三维数字模型样舱程序开发和舱室360°VR全景程序开发，如图1所示为平台主界面。

图1 虚拟样舱主界面

(1) 三维数字样舱程序开发。基于三维数字模型的虚拟样舱开发，将设计过程信息化、三维化、交互化，让用户在虚拟舱室中，自主漫游，多视角体验舱室布局，完成对内装设计方案实时互动可编辑的功能需求，大幅提升设计的参与感和趣味性。

(2) 舱室360°VR全景程序开发。使用360°VR全景进行内装设计方案可视化应用，具有制作成本低、周期短、效果满意度高等优点。制定标准开发流程，将舱室三维数字模型导入3D图形渲染工具，生成全景程序所需的六面基础图像素材[1],在此基础上，结合舱室涉及的分析内容(空调通风、光照模拟、环境材料等),完成舱室全景程序开发工作，图2为科考船登船大厅360°VR全景效果。

图2 科考船登船大厅360°VR全景

1.2 开发环境

本平台基于Unity3D开发，适配HTC VIVE虚拟现实硬件系统，集成SteamVR SDK，Unity3D是一款基于开源.net即Mono.net的组件化三维引擎，它对编辑器、跨平台发布、地形编辑、着色器、脚本、网络和物理等特性进行全面整合，具有开发效率高、运行稳定等特点，开发者可将工程文件发布为.exe执行文件提供给用户[2]，表1为平台系统主要开发环境。

表1 平台系统开发环境

1.3 VR开发工作流程

(1) VR软硬件环境搭建。虚拟样舱可视化体验平台适配HTC VIVE虚拟现实设备，首先需要搭建VR软件和硬件环境，在Unity3D的Asset Store上下载SteamVR SDK，导入Unity3D工程项目中。

(2) VR模型和贴图制作。将极地科考船相关舱室的CAD图纸、参考设计效果图等资料， 结合VR模型制作、材质贴图制作规范相结合，建立三维数字模型以及纹理贴图，导入Unity3D中，完成VR项目音效、图形界面、灯光设置渲染等艺术效果制作工作。

(3) VR内容开发与优化。结合平台开发需求，使用Unity3D开发引擎，集成HTC VIVE硬件设备的SteamVR SDK，进行VR内容方面的开发工作，并依据程序测试分析，进行内容优化。

(4) VR程序打包和发布。在上述工作流程基础上，对VR项目进行打包发布工作，选择Build Setting中的Platform，在目标平台上进行发布[3]。

2 虚拟样舱可视化体验平台开发

2.1 数据库开发

传统的文件信息管理存在数据冗余且数据结构不一致等缺点，本文采用SQLite数据库搭建平台数据库框架，进行数字样舱属性参数和实体信息的管理工作，实现对舱室内装设计涉及的材料、家具、家电等数据信息进行妥善保存和有效结构化管理，用户在数据库系统中可以便捷地实现数据信息的检索、查询、数据处理、统计分析、编辑等功能。

SQLite是一款轻型的关系型数据库系统，具备数据处理速度快、开源性好、支持多平台等优点，SQL是一种结构化查询语言，通过SQL可实现表数据查询、修改、更新，以及对数据库复杂的访问等控制[4]。Unity3D实现对SQLite数据库的访问，首先需要将Mono目录下的Mono.Data.Sqlite.dll 、System.Data.dll、sqlite3.dll编译到Unity3D->Assets->Plugins文件目录中，并在C#程序中添加Mono.Data.Sqlite.dll引用文件[5]。

2.2 UGUI界面开发

UI界面开发是系统中不可缺少的一个环节，Unity3D 4.6版本以后，Unity3D推出了新的UGUI系统，该系统为开发者提供了非常完善且高效的图形化交互界面，运行效率远远高于低级界面(手动实现)。UGUI高级界面的种类很多，包含Label(标签)、Button(按钮)、TextField(输入框)、ToolBar(工具栏)等，开发者可以使用C#和Javascript对UI进行交互功能的开发，实现预期效果[5]。

2.3 艺术效果制作

船舶内装设计要求舱室空间、色彩、照明、家具等具有鲜明的性格和艺术风格，是工程技术与室内艺术的有机结合，所以在VR环境中，对于内装设计方案的艺术效果表达也是十分重要的环节。在Unity3D里,所有的图形绘制都必须通过着色器(Shader)，一般用到的都是Unity自带的Shader,开发者也可以通过ShaderLab创建个性化着色器，得到用户想要的特殊效果，进而增强虚拟样舱的画面表现。图3为会议室材质着色器效果。

图3 会议室着色器效果

2.4 舱室交互体验功能开发

舱室交互体验功能的开发，适配HTC VIVE 虚拟现实设备(见图4)，集成SteamVR SDK，这部分内容实现主要由以下功能组成：

图4 HTC VIVE设备

(1) 舱室墙纸及地面材质动态编辑。舱室墙纸及地面材质动态编辑，可以让用户在虚拟环境中实时更改设计方案，体验不同的设计风格，激发用户按照自己的喜好装饰虚拟样舱，相比于传统效果图的表现形式，更能提升用户满意度，也为设计人员提供有效设计依据。图5为相关代码。

图5 更换材质代码

(2) 舱室家具实例化与互动。舱室家具实例化与互动不仅丰富了虚拟样舱样式，更提高了用户的体验感。与家具的互动可以让用户对舱室内部空间有更好的掌控权，不仅如此，对于舱室内部实体加入了重力感应，使它们可以像真实物理世界一样，具备物理属性。用户可以通过VR手柄控制器，对内部家具进行抓取、拾起、移动以及旋转，个性化配置家具家电(见图6)，提前感受真实舱室的日常生活状态。

图6 舱室家具实例化交互界面

(3) 灯光模式切换。在虚拟样舱中，模拟真实世界的灯光模式变换以及灯光强度，让体验者实时感觉到不同的模式所带来的不同视觉效果变化。

(4) 舱室家具实体属性信息查询。通过“射线触发碰撞”方法，进行设计信息的可视化表达，通过手柄控制器点击舱室内部家具实体，获取该实体相关属性信息(如施工工艺、材料报价、空调通风、光照模拟等)，达到设计信息“所见即所得”的目的，如图7和图8所示。

图7 舱室家具实例化工程

图8 分析属性信息查询

2.5 舱室360°VR全景程序开发

使用360°VR全景方式进行设计方案的可视化应用，具有制作成本较低，项目周期短等优点，在项目投标或样板舱建设阶段，应用舱室360°VR全景，不仅为舱室设计提供有效依据，也提高了项目投标的市场竞争力。舱室360°VR全景程序包括全景图基础素材制作、全景图片拼接以及全景程序开发等3个主要步骤组成。

(1) 将舱室三维数字模型导入3DMax软件，使用该软件进行全景图基础素材的制作工作，以固定视角，分别渲染舱室上、下、左、右、前、后共6张图片，导入Unity3D引擎中。

(2) 在Unity3D中，创建一个mat，使用天空盒进行六面图的拼接工作，修改shader为skybox/6 sided；在Inspector中，设置TextureType为Texture，并将纹理图片Wrap Mode设置为Clamp，保证拼接缝隙显示最优。

(3) 在MonoDevelop开发环境中，使用C#对全景素材进行功能开发，包括播放模式自由变换、不同舱室选择、功能看板提示、背景音乐设置等。

2.6 舱室设计资源的动态配置

虚拟样舱可视化体验平台成果发布后，用户可以对项目相关资源文件(如模型文件、材质、纹理和场景资源等)进行动态更新升级，同时，舱室设计相关属性信息(如材料报价、空调通风、光照模拟、家具设施等)进行外部资源的编辑配置，这样可以让平台更加灵活，可扩展性更强。本文采用AssetBuddle项目管理机制进行该功能实现。

AssetBundle是一种特殊格式的文件组织形式，可以在项目中按需加载，它支持所有Unity3D支持的文件类型，Unity3D在导入时将此类文件当作一个TextAsset。首先创建工作流：相同的模型尽量打包在一起，公用一套资源文件，不相同的模型尽量分开打包；相同模型如具有不同的脚本、组件，则需要把他们放在不同的Prefab中。最后把这些Prefab一起打包在一个AssetBundle中，并将其传至服务器，客户端从服务器下载AssetBundle，并按需操作每个AssetBundle中的资源。图9为使用Unity3D AssetBundle动态加载地板材质资源。

图9 AssetBundle动态加载地板材质资源

3 成果发布

(1) 完成工程项目的开发工作后，可以将虚拟样舱可视化体验平台发布成为独立的.exe执行程序(见图10),用户点击“虚拟样舱可视化体验平台V1.0Beta.exe”软件图标，即可启动程序。

图10 Unity3D成果打包发布

(2) 可将舱室360°VR全景程序发布在免费云平台上，通过手机移动端进行线下和线上的使用体验。

4 结论与展望

本文以国内极地科考船内装工程项目为实例，针对传统船舶内装设计手段和表达方式存在的不足，开发船舶虚拟样舱可视化体验平台，将船舶舱室的设计信息在3D虚拟环境中真实地表达出来，同时阐述了该平台开发过程中涉及的关键技术，探索“VR+船舶内装”创新模式。不仅如此，通过内装设计项目的不断积累，将宝贵的设计资料有效地集成在该平台中，为设计人员提供有效的设计依据。

该平台可扩展性强，研发团队在后续的研究中将进一步结合物联网技术，与智能舱室控制网关系统对接，实现舱室的互联互通，为智能舱室产品开发奠定技术基础。

[1] 常涛，王子煊.360°全景图像拼接技术分析[J].江苏科技信息,2017(4):67-68.

[2] 吴亚峰, 于复兴. Unity3D 游戏开发技术详解与典型案例[M].北京：人民邮电出版社,2012.

[3] DENG F P，HONG G，ZHANG S. Research on motion sensing interaction technology based on HTC Vive [C]//International Conference on Machinery, 2017.

[4] 梁效宁，黄旭，朱星海. SQLite数据库文件恢复提取技术研究[J].计算机科学,2016，43(B12):16-19.

[5] 张利利,李仁义,李晓京，等.Unity3D与数据库通信方法的研究[J].计算机技术与发展，2014(3):229-232．