船舶机舱虚拟现实仿真系统研究

王海全 谭银 朝刘胜

摘  要：伴随着虚拟现实技术的进一步发展，对其的研究已经取得不少成果，并被逐渐应用到各个领域之中。将虚拟现实技术应用到船舶机舱中，并构建一套虚拟现实仿真系统，用户即可在逼真的虚拟环境中，进行操作和自主漫游，获得与实际操作中相似的体验，并在虚拟场景中进行交互操作，掌握基本的操作方法。本论文以虚拟现实仿真系统为研究切入点，对其在船舶机舱中的应用，进行了详细的研究和分析。

关键词：虚拟现实技术;仿真系统;船舶机舱

中图分类号：TP391.9      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）07-0085-03

Abstract：With the further development of virtual reality technology，many achievements have been made in its research，and it has been gradually applied to various fields. The virtual reality technology is applied to the ship engine room，and a virtual reality simulation system is constructed. Users can operate and roam independently in the realistic virtual environment，obtain similar experience with the actual operation，and interact in the virtual scene to master the basic operation methods. In this paper，virtual reality simulation system is taken as the starting point，and its application in marine engine room is studied and analyzed in detail.

Keywords：virtual reality technology;simulation system;marine engine room

0  引  言

航海业对于推动国家发展，具有十分重要的作用。尤其是在当前国际环境下，伴随着全球贸易一体化的现象，船舶作为海上贸易和海洋防御支柱，得到了广泛的重视。现阶段，伴随着科技的进一步发展，虚拟现實技术也应运而生，并实现了快速的发展和应用。如今，虚拟现实这一先进的技术，已经被应用到船舶机舱中。利用该技术构建一个与船舶机舱环境相似的虚拟系统，提高了操作人员的操作技能，并通过接近于真实的环境体验，提高了操作人员的故障分析能力，并在特殊训练项目中发挥了突出的优势，具有不可替代的优越性。

1  虚拟现实技术概述

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是一种新型的科学技术，又称之为灵境技术。而虚拟现实则是利用虚拟现实技术创建的虚拟世界，这种系统将计算机技术、仿真技术和传感技术等有机融合为一个整体，并使其真正合成为一个集成系统。

具体来说，虚拟现实技术主要包括三个要素，即：

（1）给船舶机舱用户提供一个逼真的虚拟世界，使其在虚拟环境中可进行与实际相同的操作。

（2）用户在该系统中进行虚拟操作的过程中，不会受到约束，可以自由地活动。

（3）用户可以在这一虚拟的船舶机舱系统中，实现互动性操作。

基于虚拟现实技术的特性，在利用该技术所构建的船舶机舱虚拟系统中，也具备三个显著特征，即：沉浸、交互和想象。所谓的沉浸就是用户在虚拟现实情境中的投入程度。主要是指利用虚拟现实系统可以给用户提供一个沉浸的虚拟环境，使用户在视觉、听觉、嗅觉和触觉各个方面均沉浸其中;交互则是用户在虚拟现实中，可以借助类似真实的环境展开操作，并及时发现其中存在的故障，进而获得反馈信息等;想象则是用户在虚拟的环境中，可借助相关的条件和参数等，进行科学、合理的推断和想象[1]。

2  船舶机舱虚拟现实仿真系统总体设计

伴随着虚拟现实技术的进一步发展，这一技术已经在诸多行业和领域中得到了广泛的应用，尤其是在军事、航空航天等行业中发挥了突出的优势。目前，有些国家已经开始将虚拟现实仿真技术应用到船舶航海操作中。例如：加拿大的MARS系统、美国的VESUB工程，均充分利用了虚拟现实仿真技术。不同的是，MARS系统是将虚拟现实仿真技术应用到深海开阔水域的操作训练中，VESUB工程则利用这一技术开展项目训练。

在船舶航海中，虚拟现实这一先进的科学技术，不仅被应用在训练系统中，还可以被应用到航海系统工程的开发中。在本次研究中，笔者将虚拟现实技术充分应用到船舶机舱中，并在此基础上构建了一个虚拟现实系统。该虚拟系统与真实的机舱环境相同，具备舵机设备，并且用户在操作的过程中，还可以在其中自由漫游，进而给操作人员提供一个真实的操作体验环境，使得操作人员在虚拟系统中，不断提高其操作技能，并提高其发现故障的能力[2]。

在具体进行船舶机舱虚拟现实仿真系统设计中，为了进一步提高系统的设计水平，从以下四个方面给予了关注和研究：

（1）场景真实性。在设计船舶机舱虚拟现实仿真系统的过程中，为了给用户营造沉浸感、代入感，在接近于真实的场景中，展开科学、合理的推断和想象，并产生交互行为，必须要设计一个逼真的机舱场景模型，具体到每一个设备、每一个管路，力求所有的局部细节均呈现在操作人员的面前。

（2）虚拟场景漫游。在设计船舶机舱虚拟现实仿真系统的过程中，为了进一步发挥学员的自主性，必须要注重虚拟场景漫游，并且在设计中，还要添加碰撞检测这一环节，使得漫游更加真实。

（3）要有显示仪表和运动机构的动作。在设计船舶机舱虚拟现实仿真系统的过程中，为了实现用户操作者的良好反馈，系统设计中必须要有显示仪表和运动机构的动作。

（4）友好的操作界面。在设计船舶机舱虚拟现实仿真系统的过程中，为了便于用户操作，必须要加强操作界面的设计。在具体的设计中，必须要确保用户界面具备简洁、美观、易于理解、易于操作等特点。同时，在进行设计的过程中，还必须要遵循相应的操作程序，确保设计的界面功能完善、外观和谐[3]。

3  船舶机舱虚拟现实仿真系统具体研究

3.1  虚拟机舱三维模型的建立

船舶机舱虚拟现实仿真系统最大的特点就是可以给用户营造一种身临其境的感觉，并与计算机生成的三维虚拟环境进行交互，因此，在进行系统构建的过程中，必须要给予有效的关注。鉴于人体在获得外部世界信息的时候，均是通过视觉、听觉和触觉等器官进行的，且以视觉为主。因此，在具体进行设计的过程中，应加强用户视觉的现场感，注意以下几个方面：

（1）结合人类视觉的生理特性，从人类视觉对亮度、彩色特性，以及视觉的分辨力和惰性四个方面进行综合考虑。

（2）在具体设计的过程中，必须要以人体双目视觉为基本原则和出发点。

（3）设计的目的是生成一个立体的、虚拟的视觉图像。

（4）在对虚拟机舱三维模型进行设计的过程中，要以人类视觉的分时式、分路式为依据。

（5）在具体设计的过程中，还要对人类的立体视觉进行相应的测试和研究。

（6）在进行具体设计的过程中，还要对影响人类视觉效果的因素进行仔细的考虑。

结合人类经验和视觉实验结果得知，人不仅在使用双眼观看景物的时候会产生立体感，即使在单眼观看景物的时候，也可以对物体的前后深度进行明确的辨认，进而具有一定程度的立体感。因此，在建立虚拟机舱三维模型的时候，必须要对三维尺寸和方向信息进行精准的获得，只有做到这一点，才能确保用户在虚拟环境中进行操作的时候，能够精准地进行交互。

3.2  虚拟机舱漫游仿真系统

用户如果想要在虚拟空间中，对虚拟环境中的任意一个角度进行观察，在对虚拟现实系统进行构建的过程中，必须要制造一个逼真的虚拟环境，并且将用户在操作过程中的视觉、听觉、触觉一体化。因此，在进行系统开发的过程中，一方面，必须要结合船舶机舱实际操作环境，创造一个逼真的仿真系统，进而给用户提供一个无限接近于现实的虚拟化场景，使其在操作的过程中，产生一种身临其境的感觉;另一方面，从船舶机舱的角度上讲，船舶机舱中的设备繁多，且机构复杂、管系纵横交错、舱柜层次迭起，只有通过构建虚拟机舱漫游仿真系统，才能使得用户在接近于真实场景的体验中，不断提高其操作技能[4]。

在具体进行漫游仿真系统设计的过程中，可充分利用建模法的漫游技术。在使用该技术的时候，以图形学为基础，解构船舶机舱中的实际情况，对各种设备、场景等进行模拟，积极构建三维模型，并利用所有设备的三维模型，构建出一个虚拟环境和空间。同时，在构建三维模型的过程中，还要结合所有现实物体的物理属性，赋予模型物体材质、光照等属性;最后，用户在进行操作的过程中，还要对漫游者的位置、动作行为等进行有效的控制，以帮助其达到漫游的效果。同时，在建模的过程中，还要注重模型的精确度、美观性。因此，为了给用户提供一个更加逼真的体验环境，常常需要消耗较长的时间进行建模。

另外，在构建虚拟漫游系统的过程中，为了使得人在虚拟的模型场景中的操作行为、操作动作更加逼真，常常在虚拟环境中进行碰撞检测，进而对人与人、人与物之间是否发生碰撞、是否需要足够的稳定和准确进行判断。

3.3  虚拟船舶驾驶台和集控室仿真系统

虚拟船舶驾驶台系统主要包含了控制室、驾驶台、操舵仪、雷达等设备，在进行虚拟船舶驾驶台系统的设计中，可充分利用虚拟按钮的方式，对驾驶台进行操作。虚拟船舶集控室则主要包括虚拟集控室、虚拟集控台、虚拟配电板和虚拟仪表板等，操作者可以借助虚拟车中的虚拟油门杆、虚拟按钮等对船舶柴油主机进行操作。

3.4  视景仿真系统的交互界面设计

在船舶机舱虚拟现实系统的设计中，一方面，舱室漫游视景、船舶运行仿真视景、舱室破损浸水仿真视景，均需要有系统交互界面进行控制;另一方面，鉴于船舶模型面数较多，舱室的模型较为复杂，因此必须要进行视景仿真系统的交互界面设计。

在进行具体设计的过程中，应注意从以下两方面进行：

（1）系统主界面设计。在对系统的主界面进行设计的过程中，可采用电击按钮、异步加载的方式，读取系统后台的数据，并从主界面进入到二级主界面。当返回到主界面的时候，则可以通过结束按钮的方式，将程序进行关闭。

（2）二级主界面设计。二级主界面主要包括船舶仿真视景、舱室破损浸水仿真视景、舱室漫游视景的操作界面，并利用按钮切换、异步加载的方式，获得不同的视景。同时，在切换的过程中，必须要保证不会对其他场景的数据读取产生影响。

另外，当系统设计完成之后，在进行场景切换的过程中，极有可能会出现卡顿的现象，进而对用户的体验效果产生影响。基于此，可充分利用相应的技术，从系统的CPU、GPU和内存三个方面进行优化：

（1）CPU优化。在虚拟系统中，每一次都要经过系统CPU的渲染，进而导致系统中CPU负荷严重，直接降低了系统的运行速度。因此，可将大量的Draw Call对CPU进行优化，以减少其工作量。

（2）GPU优化。在虚拟现实系统中，GPU主要负责进行图像渲染。因此，在对其进行优化的过程中，可充分利用减少绘制数目、优化显存带宽等方式，对其进行优化。

（3）內存优化。可充分引用DLL等方式，对内存进行优化，进而对整个系统进行优化[5]。

4  结  论

综上所述，伴随着虚拟现实技术的进一步发展，通过该技术构建一个虚拟现实系统，给用户操作者提供一个身临其境的环境，并使其在虚拟的环境中，掌握船舶机舱操作要点，不断提升其操作水平。

参考文献：

[1] 徐慧.船舶机舱虚拟场景三维模型的建立及优化 [J].舰船科学技术，2018，40（2）：123-125.

[2] 于祥.3D技术在船舶机舱仿真软件开发中的应用 [J].天津航海，2016（2）：38+41.

[3] 沈浩生，张均东，曹辉，等.船舶机舱三维视景仿真系统的应用与发展 [J].中国水运（下半月），2016，16（6）：66-70.

[4] 赵岩.船舶机舱虚拟现实仿真系统研究 [J].科技展望，2015，25（14）：174.

[5] 李雯文.虚拟船舶机舱设备的运行操纵仿真研究 [D].镇江：江苏科技大学，2015.

作者简介：王海全（1992.07-），男，汉族，山东荣成人，助理实验师，本科，主要研究方向：船舶工程技术。