（控制理论与控制工程专业论文）船舶运动建模及虚拟现实技术的实现.pdf

摘要 摘要 从古至今，航海业的发展一直是一个国家兴旺发达的重要标志。对于一个7 0 都 被海水覆盖的地球而言，海上防御对于一个国家的安全有着极其重要的战略意义。随 着贸易全球化速度的加快，船舶作为运输业中极其重要的力量之一也日益引起了人们 的关注。因此对船舶的研究也显得更加有意义。 国内外对船舶的研究一直没有停止过。在理论上，船舶运动方程也经历了从质点 运动n - 维再到三维的变化。目前也已经有了较为系统的理论。在实际工程设计中， 目前采用较多的方法是水池试验法。既把船舶按照适当的比例缩小进行相应的试验设 计。在实验室研究中还有半物理方法，建立船舶模型结合理论计算来设计船舶。但是 这些方法都存在一个问题，实验场所要求较高，研究费用大。 随着计算机仿真技术的发展，虚拟现实技术的出现，并被成功的引入到船舶研究 中，实验场所要求高，耗资巨大这一问题可以得到相应的解决。虚拟现实技术，它是 由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景 仿真。目前国外如美国、丹麦等国家已经先后建立了航海仿真实验室，并成功的应用 于海员训练。 本文主要从虚拟现实技术角度出发研究船舶在不同海况下的运动。首先用海浪谱 分析法对船舶运动进行建模，研究了船舶在一定海况条件下不同的运动状态，并用实 例对船舶的横摇运动、纵摇和垂荡运动进行了数值仿真，接着采用y u l t i g e n 公司的 视景仿真软件c r e a t o r 结合v e g a 建立了船舶的模型以及一个较真实的海洋仿真环境， 最后在v c 环境下结合v e g a 的a p i 函数编写了船舶运动的视景仿真程序。同时文中还 涉及了对虚拟现实技术系统的实现基本原理的讨论。整个系统可以较真实的反映船舶 在一定的海况下的运动情况，对船舶运动的进一步研究有着积极的意义。 关键字：船舶运动；虚拟现实；仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t i i la l la g e s ，t h ed e v e l o p m e n to fn a v i g a t i o ni sa l w a y sas i g n i f i c a n ts y m b o lf o rc o u n t r i e s p r o s p e r i t y s a f e g u a r do ns e ai sm o s ti m p o r t a n tf o rc o u n t r i e s s a f e t ye s p e c i a l l yf o rt h ee a r t h w h i c hn e a r l y7 0 a r ec o v e r e db yw a t e r w i t ht h ea c c e l e r a t eo f w o r mw i d eb u s i n e s s ，s h i pa s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r th a v ec o m et oo u ra t t e n t i o n s os h i p p i n gr e s e a r c hi sm u c h m o r es i g n i f i c a n c e d o i n gr e s e a r c ho ns h i p sh a sn e v e rb es t o p p e di nh o m ea n da b r o a d s h i pm o t i o nh a s g ot h r o u g ht w o - - d i m e n s i o nt ot h r e e - d i m e n s i o ni nt h e o r y n o w a d a y s ，t h e o r i e sh a sb e c o m e m a t u r i t y i ne n g i n e e r i n g ，p o o le x p e r i m e n t u s e d v e r ya b r o a d ，m a k i n gt h es h i p s s c a l e - d o w n ，t h e nd or e s e a r c h e si nt h eb i gp o o lt h ea n o t h e ra p p r o a c hf o rr e s e a r c hi nt h e l a b o r a t o r yi sh a l fp h y s i c s ， m o d e l su n i t et h e o r yc o m p u t e b u ta l lo ft h e s em e t h o d sh a v ea c o n l n o nd i s a d v a n t a g et h a ti st o os p e c i a lf o rl a b o r a t o r ya n dt o oh i 曲r e s e a r c hf e e a st h ed e v e b p m e n to fc o m p u t e rs i m u l a t i o n s ，v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d i ns h i pr e s e a r c h e ss u c c e s s f u l l y , t h e q u e s t i o na b o v e dc a nb es o l v e d v i r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g yc a np r o d u c e dv i s u a ls i m u l a t i o n sb yc o m p u t e r sw h i c hc a nm a k eu s e r saf e e l i n g o fr e a l n o w a d a y s ，l o t so fc o u n t r i e sh a v eb u i l tt h es i m u l a t i o nl a d sf o rn a v i g a t i o ns u c ha s a m e r i c aa n dd e n m a r k t h e ys u c c e s s f u l l yu s e dt h ev r t e c h n o l o g yf o rs e a m a n st r a i n i n g t h i sp a p e rd oar e s e a r c ho ns h i pm o t i o n ss u p p o r t e db yv i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u e f i r s t o fa l lm o d e ls h i pm o t i o ni nm a t hb a s e do no c e a nw a v es p e c t r u ma n a l y s i sa n ds t u d yo nt h e s h i pm o t i o ni nd i f f e r e n t s e as t a t e s s e c o n d l ym a k en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o r s h i p r o l l i n g ，h e a v ea n dp i t c hm o t i o n t h i r d l y ，b u i l dt h em o d e lo fs h i pa n dt h es i m u l a t i o n e n v i r o n m e n tb ys o f t w a r ec r e a t o ra n dv e g a l a s t ，m a k et h ep r o c e s so fs i m u l a t i o na b o u ts h i p m o t i o ni nv ce n v i r o n m e n t t h ew h o l es y s t e ms u c c e s s f u l l ys i m u l a t et h es h i pm o t i o ni n d i f f e r e n ts e as t a t e s f o rf u r t h e rr e s e a r c hi th a sa l la c t i v ee f 诧c t k e y w o r d s ：s h i pm o t i o n ：v i r t u a lr e a l i t y ； s i m u l a t i o n - i v - 厦门大学学位论文原创性声明 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 嚣岔名乞 岬妨日 厦门大学学位论文著作权使用声明 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有 权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的 标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密( 2 、不保密( 年解密后适用本授权书。 ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 储躲铂启：p 导师签名： 咖乙日期： 1 ，一 j 年j 月日 f 1 年月日 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 第1 章绪论 随着世界的各大航路的发现，航海事业有了突飞猛进的发展。而海上防御也成了各 国的重要任务。孙中山先生就曾经强调过我国军事强大与否不在陆而在海。由此可见海 军的发展对我国的整体军事事业有多么的重要。而研究舰船在不同海况下的运动就显得 更加的具有战略意义。 与此同时，地球约7 0 的表面被海洋所覆盖，有着巨大的海洋资源。我国有着长 达3 万公里的海岸线，与世界多个国家保持着商业往来，其中绝大部分货物的运输都是 靠远洋船舶来实现，远洋船舶是我国与外国物质交流的最主要运输工具。我国有近2 0 万的海员队伍，船舶总吨位数位居世界第七，因此研究舰船的仿真系统不仅对军事有着 深远的意义对商业也有着及其重要的影响。研究舰船在海上的运动这一课题是极其有意 义而必要的。 船舶主要受到海浪的作用，因此研究船舶的性能，特别是船舶在风浪中的性能对 提高船舶的整体性能起着关键性的作用。船舶在波浪中运动特性的统称，即船舶的耐波 性( s e a k e e p i n g ) 。它包括船舶在波浪中所产生的各种摇荡运动及由这些运动引起的砰击、 飞溅、上浪、失速、螺旋桨飞车和波浪弯矩变化等。 研究船舶波浪载荷的方法也经历了一个从二维到三维，从线性到非线性的理论发 展。但是这些求解的过程特别是三维求解过程十分的复杂和费时，在实际工程中通常采 用理论计算与实验法结合的方法进行研究验证。目前研究船舶运动常用的方法有水池试 验法。水池法需要有一个很大的实验室需要人工产生各种风浪。由于实验的模型是按比 例缩小的船体，在转换时会产生不可避免的问题。而依托虚拟现实技术而产生的可视化 仿真技术为研究船舶的运动提供了一种新的方法。这一船舶仿真系统能够方便的研究船 舶的各种运动，同时又让人有身临其境的感觉对研究船舶运动及这些运动引起的各种危 害，船员驾驶及培训等各方面都有着积极作用。图形视景仿真系统与以往的仿真系统相 比大大减少了人力物力财力的投入，不仅如此，由于其优质的图形界面和生动的场景改 厦门大学硕士论文船舶的运动建模及虚拟现实技术的实现 变了以往数值仿真中只有专业人员才能看懂的局面，对知识的通俗化和普及也有着极其 重要的意义。 基于以上背景，本文以频谱分析的理论为基础来研究船舶的运动并使用虚拟现实 技术来模拟船舶在波浪中的运动，将船舶的数值仿真转换到图像的可视化仿真，使仿真 系统更加真实易懂。 1 2 相关技术的国内外发展及现状 1 2 1 船舶运动建模的发展及现状 1 8 9 6 年克雷洛夫【1 1 首先提出了船舶在规则波上的运动方程，该方程实际上是质点 振动方程。它是初级的原始的，但其深远的意义却不言而喻。随着计算机的出现和发展， 为研究提供了强大的计算工具，极大地促进了船舶运动的研究。而船舶的运动其主要就 是对其耐波性的研究。 从2 0 世纪四十年代起，人们开始致力于船舶摇荡流体力学理论的建立，试图通过 速度势的线性边值问题的建立和求解，把船舶的存在和运动对入射波的影响考虑进去， 从而更加合理地来描述船舶的摇荡运动。其中，哈斯金特应用格林定理构造出由于船体 存在和运动引起的扰动速度势，并推导了点源格林函数的表达式。按边界条件的提法， 最终得到求解速度势的积分方程，并用窄船理论进一步解出此方程。 1 9 5 3 年，s t d e n i s 和p i e r s o n t l 】的一篇创新性的文章中提出了一种预报海上航行船 舶的相应数值统计的方法。利用其他领域谱分析的发展，他们将船舶响应的谱密度和输 入海洋波谱联系起来。假设1 海水表面是一个各态经历的零均值的高斯随机过程；2 船 舶被看作是一个线性系统。第一条假设使得船舶响应的概率密度用一个方差来表示。这 个方差是在响应谱密度下的区域。只要知道给定的概率密度，就容易给出所要求的相应 数据统计。线性系统的假设使得任一给定的响应密度谱可以通过入射波波谱与所求响应 的响应幅值算子( 黜均) 的平方相乘得出。在其他领域，r a o 又叫作传递函数或线性 系统函数。在任何单一的频率下，r a o 是在任一给定频率作用于船舶的规则入射波所 要求的响应的振幅和周期。应用s t d e n i s 和p i e r s o n 的方法，必须知道输入波的波谱以 及船舶r a o ，因此获得好的波谱信息对船舶响应的准确估计至关重要。 基于这种频谱分析方法，耐波性理论的发展有许多分支。根据自由面条件和物面条 2 第1 章绪论 件的阶数不同，可以分为线性和非线性理论；根据流场速度势满足的不同维数，可以分 为三维理论和二维理论；根据初始条件的不同，可以分为频域理论和时域理论。在这之 后，无论在实验或理论方面，耐波性研究都得到迅速发展。 与此同时，1 9 5 5 年由k o r v i n - - k n t k o v s k y 【2 】提出了切片细长理论。利用这一理论船 舶的升沉和纵摇可以在计算机上进行计算。g e r r i t s m a 和b e u k l m a n t 3 1 于1 9 6 7 年对切片 理论进行了改进使其预报值与实验值较好的吻合。此后还有很多学者对此方法进行了改 良。其中s a l v e s e n 4 1 等1 9 7 0 年推导的一种切片法形式是当今应用广泛的船舶耐波性计 算方法。理论上说，线性切片理论是一种低航速理论，对于高速船预报来说是不合适的。 b l o ka n db e u k e l m a n 【5 1 的研究表明，在傅氏数f r 达到0 5 7 1 4 时，线性切片理论预报 的船舶垂荡和纵摇响应仍然是令人满意的。 随着船舶运动的非线性效应逐渐引起人们的注意，一些学者沿着实用化的道路对切 片理论进行非线性推广。一种时域模型直接由频域切片理论拓展而来，g u e d e ss o a r e s 6 】 等在这方面做了大量的工作。时域问题的完善解法是通过建立初值、边值问题来解决的。 1 9 5 7 年f i n k e l s t e i n 7 1 系统的推导了各种自由面时域g r e e n 函数，为时域计算打下坚实基 础。1 9 6 2 年c u m m i n s 嘲利用脉冲响应函数理论，将扰动速度势分解为瞬时项和记忆项 两部分分别求解，从而将船体的几何形状与船舶运动相分离。1 9 6 4 年o g i l v i e 例总结了 上述理论，并将其推广到有航速情形。1 9 9 8 年f o n s e c aa n ds o a r e s 1 0 1 对基于时域势流理 论的局部非线性切片理论模型进行了研究。 切片理论是短波理论，而细长理论是长波理论，因此有人努力寻找两者的联系，从 而得到能够在更宽的频率范围应用的理论。m a r u o 1 1 1 的插值法和n e w m a n 1 2 1 的统一细长 体法就是典型的例子。1 9 8 7 年的i t t c 会议n 3 1 认为统一细长体理论对有一定航速的垂 向运动的预报并不比切片法有效，但是对横摇和首摇能够给出更合理的预报。 三维理论可以分为两组：g r e e n 函数法( g f m ) 和r a n k i n e 源法( r s m ) 。g r e e n 函数通过在浮体湿表面分布源汇来确定流场速度势。利用这一方法对于无航速的船舶及 海洋工程结构的运动和载荷问题十分成功，但对于有航速的频域计算十分复杂。1 9 9 0 年周正全岬1 等利用无航速g r e e n 函数加上航速修正项来研究该问题。同时l i na n d 3 厦门大学硕士论文船舶的运动建模及虚拟现实技术的实现 y u et ”1 在瞬时物面上分布汇源，建立流体速度势和汇源所满足的积分方程。1 9 9 5 年段 文洋b 6 针对船舶大幅运动情形，探讨了现有非线性理论的适用性和各种非线性因素对 水动力的贡献。 r a n k i n e 源法由y e u n g t ”1 首先提出，我国戴遗山、贺五洲n 8 1 做过这方面的研究。 r a n k i n e 源法的优点是没有不规则频率问题，避免了g r e e n 函数计算复杂的困难，但是 由于需要自由面上布置源，需要求解的方程组十分庞大。 随着计算机技术的发展，使得各种算法的实现变得可能，也推动了船舶运动理论 的发展。非线性振动理论的发展，尤其是近二十年来对分岔和混沌理论的深入研究给船 舶非线性运动的研究带来了活力，也使得研究探索船舶摇摆的非线性动力中的复杂响应 问题变得更加迫切。 1 2 2 虚拟现实技术的国内外现状及发展 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y , 缩写为v r ，又称为灵境技术) 是近年来十分活跃的技术 研究领域。它的起源可以追溯到上世纪6 0 年代。1 9 6 5 年，有v r 先锋之称的计算机图 形学创始人i v a ns u t h e r l a n d ，在i f i p 会议上发表了终极的显示【1 9 1 ( t 1 1 eu l t i m a t e d i s p l a y ) 的论文，首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟 现实系统的基本思想，自此人们开始了对这一领域的探索。 美国作为v r 技术的发源地，其研究水平基本上就代表国际v r 发展的水平。目前美 国在该领域的基础研究主要集中在感知，用户界面，后台软件和硬件四个方面。美国宇 航) 冒j ( n a s a ) 2 0 1 的a m e s 实验室研究主要集中在以下方面：将数据手套工程化，使其成 为可用性较高的产品；在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真：大量运用了面向 座舱的飞行模拟技术；对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫虚拟行星探索 ( v p e ) 的试验计划。现在n a s a 己经建立了航空卫星维护v r 训练系统，空间站v r 训 练系统，并且已经建立了可供全国使用的v r 教育系统。北卡罗来纳大学( u n c ) 的计算机 系是进行v r 研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真1 建 筑仿真等。 l o m al i n d a 大学医学中心的d a v i dw a r n e r 博士和他的研究小组成功地将计算机图 4 第1 章绪论 形及v r 的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了v r 儿科治疗法。麻省理工学院 ( m i t ) 是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是v r 技术的 基础。1 9 8 5 年m i t 成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。华盛顿大学华盛顿技术 中心的人机界面技术实验室，将v r 研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。 从9 0 年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面： 虚拟战场环境；进行单兵模拟训练：实施诸军兵种联合演习；进行指挥员训练。 在v r 开发的某些方面，特别是在分布并行处理，辅助设备( 包括触觉反馈) 设计和应 用研究方面，英国是领先的，尤其是在欧洲。英国主要几个从事v r 技术研究的中心 2 2 1 ： 工业集团公司，是国际v r 界的著名开发机构，在工业设计和可视化等重要领域占有一 席之地；b r i t i s ha e r o s p a c e ( 英国航空公司b a e ) 的b r o u g h 分部，正在利用v r 技术设计 高级战斗机座舱；d i m e n s i o ni n t e r n a t i o n a l ，是桌面v r 的先驱。 日本主要致力于建立大规模v r 知识库的研究 2 3 1 ，在虚拟现实的游戏方面的研究也 处于领先地位。 我国v r 技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家 有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展v r 技术的研究计划 “九五 规划国家自然科学基金委，国家高技术研究发展计划等都把v r 列入了研究项 目。国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行v r 研究，最有权威的单位之一，并在 以下方面取得进展：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实的 视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网 络设计，可以提供实时三维动态数据库，虚拟现实演示环境，用于飞行员训练的虚拟现 实系统；虚拟现实应用系统的开发平台等。 浙江大学c a d & c g 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系 统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。 哈尔滨工业大学已经成功地用虚拟技术解决了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表 情的合成和唇动的合成等技术问题 2 5 1 。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临 场感的方面进行了研究；西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术一 一立体显示技术进行了研究，提出了种基于j p e g 标准压缩编码新方案，获得了较高 厦门大学硕士论文船舶的运动建模及虚拟现实技术的实现 的压缩比，信噪比以及解压速度。 v r 技术是高度集成的技术，涵盖计算机软硬件，传感器技术，立体显示技术等。 v r 技术的研究内容大体上可分为v r 技术本身的研究和v r 技术应用的研究两大类。 根据v r 所倾向的特征的不同，目前虚拟现实系统主要划分为四个层次：即桌面式，增 强式，沉浸式和网络分布式虚拟现实。v r 技术的实质是构建一种人能够与之进行自由 交互的世界。在这个世界中参与者可以实时地探索或移动其中的对象。沉浸式虚拟现实 是最理想的追求目标，实现的主要方式主要是戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身 体部位跟踪器，通过听觉，触觉和视觉在虚拟场景中进行体验。桌面式虚拟现实系统被 称为窗口仿真，尽管有一定的局限性，但由于成本低廉而仍然得到了广泛应用。增强式 虚拟现实系统主要用来为一群戴上立体眼镜的人观察虚拟环境，性能介于以上两者之 间，也成为开发的热点之一。总体上看纵观多年来的发展历程，v r 技术的未来研究仍 将遵循低成本高性能这一原则，从软件和硬件上展开。 工程上，典型的例子就是具有3 0 0 万个零件组成的波音7 7 7 飞机产品设计与性能 评价，其设计是在一个由数百台计算机工作站组成的虚拟环境中进行的。 v r 技术在城市建设中的应用也取得了许多成果。用v r 技术，美国对洛杉矶和拉 斯维加斯两个城市改造和评估，日本开发的虚拟东京，西洛杉矶的g e t t y 博物馆的古罗 马时代的最宏伟的建筑一t r o j a n 广场再现。 1 2 3 虚拟现实技术在航海仿真中的应用 目前，有些国家已经或正在开发用于航海操作训练的v r 模拟器【2 7 】，如加拿大的 m a r s 系统和美国的v e s u b 工程。m a r s 是加拿大海军用来训练甲板部低级船员( o o 聊 的虚拟现实模拟器，用于在深海开阔水域的操作训练。系统包括本船水动力模型、h m d 、 语音识别( 识别o o d 的命令) 、合成语音应答、指令输入接口( 用于控制模拟器) 、回放以 及学员反馈等模块。v e s u b 是由美国海军发起展开的v r 训练系统项目，是为潜艇o o d 港区航行训练而设计的。潜艇在水面航行，以及进入或离开港区时，o o d 得站在潜艇 甲板上，指挥潜艇的驾驶、保持航线和避碰。因此，他得保持了望并与潜艇内的工作人 员协调好，因为可供o o d 直接使用的仪器只有罗经复示器，他得依靠艇内人员的支持 才能使用雷达、潜望镜和其他电航设备。 虚拟现实不仅能应用于训练系统，还可以用于航海系统工程开发。在实际开发或 6 第1 章绪论 操作一个系统之前可创建其虚拟模型来评价和改进该系统的设计或操作方案。例如美国 海军的海上战略补给计划，其中考虑到在没有港口设备可供使用时如何从其战略补给船 ( 巨型滚装船) 上卸货的问题。其中需要用重吊搭起补给船与浮平台之间的坡道，由于用 作坡道的跳板十分巨大( 长达3 5 m , 重达1 2 0 t ) ，因此搭建坡道的作业显得十分艰难。于是 项目承担者决定利用v r 技术建立该项作业的虚拟模型来设计和改进作业方案。 在我国，上海，大连等地的高校和研究所也开始了这方面的研究，并已经建成了 相关的实验室。 1 3 本文的主要工作 本文以虚拟现实技术为基础来研究船舶在各种海况下不同的运动情况，主要完成了以 下几项工作： ( 1 )介绍了研究船舶运动的各种方法，并采用波浪谱分析法，以海浪谱为依托建 立船舶的横摇、纵摇和垂荡运动方程。 ( 2 )对船舶在波浪中的横摇、纵摇及垂荡运动进行数值仿真，计算其频率响应， 得到船舶的各种运动状态。 ( 3 )详细介绍了用虚拟现实可视化应用软件c r e a t o r 建立船舶三维模型的步骤，并 用地形建模技术建立了海岛的模型，同时结合v e g a 软件中的海洋模块建立了 逼真的海洋仿真环境。 ( 4 )在w i n d o w sv c + + 6 0 环境下使用v e g aa p i 函数编程，实现了船舶在不同等 级的海浪中各种运动姿态变化的可视化仿真。 7 第2 章虚拟现实技术研究 第2 章虚拟现实技术研究 2 1 虚拟现实的定义及特性 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y , 简称v r ) 又称为灵境技术【舡3 5 1 ，是一种可以创建和体 验虚拟世界( v i r t u a lw o r l d ) 的计算机系统。它是由美国v p l 研究公司的j l a n i e r 在1 9 8 9 年提出的新概念，是集计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术等为一体 的综合集成技术。其中虚拟世界为全体虚拟环境( u a le n v i r o n m e n t ) 或给定仿真对 象的全体，它是由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉 的交互式视景仿真。因此一个身临其境的虚拟现实系统是由包括计算机图形学、图像处 理与模式识别、多传感器、语音处理与音像以及网络等技术所构成的大型综合集成环境。 按照当今国际上流行的定义，一个能够真正意义上实现虚拟现实的系统应当具有以 下三个基本要素： ( 1 ) 能够给用户一个三维立体的虚拟世界； ( 2 ) 应当给使用者身临其境的感觉，并有实时任意活动的自由度； ( 3 ) 用户能够通过一些控制装置实时地操纵和改变所进入的虚拟世界。 虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理的硬件、软 件交互手段，使参与者能够交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界。从概念上讲，任 何一个虚拟现实系统都可以用三个“i 来描述其特性，这就是“沉浸度 ( i m m e r s i o n ) ， “交互性( i n t e r a c t i o n ) ，和“想象力 ( i m a g i n a t i o n ) ，如图2 1 所示。 图2 1 三个“i 虚拟现实特性 8 厦门大学硕士论文船舶的运动建模及虚拟现实技术的实现 这三个“i 反映了虚拟现实系统的关键特性，就是系统与人的充分交互。虚拟现 实系统的设计要达到以下目标： ( 1 ) 要使参与者有“真实的体验，达到浑然忘我的境界，理想的虚拟现实系统 应该具有人类所具有的一切感知能力，包括听觉，视觉，触觉，甚至是味觉和嗅觉。 ( 2 ) 系统要能够提供方便的，丰富的，主要是基于自然技能的人机交互手段。参 与者能够对虚拟环境进行实时的操纵，能从虚拟环境得到反馈的信息，也能使系统获得 参与者的各种必要数据。为达到这个目标，高速计算和处理是必不可少的。 ( 3 ) 因为虚拟现实不仅仅是一种媒体或用户的高端接口，而且它还是针对某一特 定领域解决某些问题的应用。如何解决这些问题，不仅需要了解应用的需求，而且还要 有丰富的想象力。 2 2 虚拟现实系统的组成及关键性技术 一个完整的虚拟现实仿真系统由下图所示部分构成： 用传虚 户感拟 器环 境 图2 2 虚拟现实系统的组成 用户通过传感器装置直接对虚拟现实环境进行操作，并得到实时三维显示和其它反 馈的信息，当系统与外界通过传感器构成闭环时，用户与虚拟环境间的交互可以对外部 世界产生作用( 如遥控等) 。 将系统具体化时虚拟现实系统可以有六个模块组成如图： 9 第2 章虚拟现实技术研究 图2 3 虚拟现实系统模块化构成 1 检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。 2 反馈模块：接受来自传感器模块的信息，为用户提供实时反馈。 3 传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面 将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。 4 控制模块：对传感器进行控制，使其对用户虚拟现实环境和现实世界产生作用。 5 建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。 6 3 d 模型：这是用来生成虚拟世界的模型数据。 虚拟现实的关键技术主要包括：动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立 体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术。 1 动态环境建模技术 虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际 环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。 三维数据的获取可以采用c a d 技术( 有规则的环境) ，而更多的环境则需要采用非接触 式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。 2 实时三维图形生成技术 三维图形生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时 的目的，至少要保证图形的刷新率不低于1 5 帧秒，最好是高于3 0 帧秒。在不低于图 形质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。 3 立体显示和传感器技术 虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远不 能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大，分辨率低，作用范围小等缺点；虚拟现 实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。 1 0 厦门大学硕士论文 船舶的运动建模及虚拟现实技术的实现 4 应用系统开发工具 虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择 适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率，减轻劳动强度，提高产品开发质量。为了 到达这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台，分布式 虚拟现实技术等。 5 系统集成技术 由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的 作用。集成技术包括信息的同步技术，模型的标定技术，数据转换技术，数据管理模型， 识别和合成技术等。 2 3 虚拟现实系统硬件配置及常用外部设备 虚拟现实系统最根本的要有一套v r 显示和观察系统。目前最经济的和最基本的 要求是：中高档p c 平台及s g i 图形工作站，支持i n t e l 及a m d 芯片支持w i n d o w sn t 及 w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 x p 系统。目前以c r t 显示器或外接投影仪为主要显示手段，再配合立 体眼镜。常用的外设备有3 d 眼镜，数据手套，位置跟踪仪，头盔显示器和力反馈器等。 立体眼镜是用于3 d 模拟场景v r 效果的观察装置，它利用液晶光阀高速切换左右 眼图像原理，有有线和无线之分，可支持逐行和隔行立体显示观察，也可用无线眼镜进 行多入团体v r 效果观察，是目前最为流行和经济适用的v r 观察设备。 数据手套是虚拟现实应用的主要交互设备，它作为一只虚拟的手或控件用于3 d v r 场景的模拟交互，可进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制，有有线和无线、左手和 右手之分，可用于w t k 、v e g a 等3 dv r 或视景仿真软件环境中。 图2 4 数据手套图2 5 头盔显示器 第2 章虚拟现实技术研究 三维空间跟踪定位器是v r 系统中用于空间跟踪定位的装置，一般与其他v r 设备 结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自由移动、 旋转，不局限于固定的空间位置，操作更加灵活、自如、随意。产品有六个自由度和三 个自由之分。 头盔显示器( 又称数据头盔或数字头盔) 是虚拟现实应用中的3 d v r 图形显示与观 察设备，可单独与主机相连以接受来自主机的3 d v r 图形信号。使用方式为头戴式，辅 以空间跟踪定位器可进行v r 输出效果观察，同时观察者可做空间上的自由移动，如； 自由行走、旋转等，v r 效果非常好，沉浸感极强，在v r 效果的观察设备中，头盔显 示器的沉浸感优于立体眼镜。 力反馈器是v r 研究中的一种重要的设备，该设备能使参与者实现虚拟环境中除视 觉、听觉之外的第三感觉一触觉和力感，进一步增强虚拟环境的交互性，从而真正体会 到虚拟世界中的交互真实感，该设备广泛应用于虚拟医疗、虚拟装配等诸多领域。 2 4 立体视觉现场感的产生机理及图像生成的一般算法 人通过视、听、触等感觉器官获取外部世界的信息。由于大多数的信息获取来自视 觉，所以对视觉现场感的研究最重要，发展也最早。视觉现场感的产生主要通过立体 和大视场的显示来实现，通常应着重从以下几方面来研究视觉现场感的产生和实现技 术【2 6 2 8 】：( 1 ) 视觉的基本特征：根据视觉的生理特性，描述视觉的亮度特性，彩色特 性，视觉分辨力和视觉惰性；( 2 ) 双目立体视觉的原理；( 3 ) 虚拟立体视觉图像的获 取与生成；( 4 ) 基于双目视差的分时式、分路式立体视觉显示；( 5 ) 立体视觉测试及研 究；( 6 ) 影响立体视觉效果的其它因素。 立体显示现场视景或虚拟的三维生成环境是实现现场感与虚拟现实的一个重要方 面。只有准确地取得三维尺寸和方向信息，用户才能准确地与现场操作机或虚拟环境进 行交互。人能感受到立体，主要是立体提示因素的作用。我们将产生立体感的因素分为 两大类：即单眼体视因素和双眼体视因素。在虚拟现实系统中，对于给定的三维物体造 型，解算出其立体视觉图像对便于立体观察是很重要的。通常采用的方法是按照摄像模 型沿不同的视点方向分别进行投影。 立体图像生成的一般算法如图2 6 所示，对于如图2 6 ( a ) 所示的单视点的情况， 在完成显示空间变换后，显示平面与x y 平面平行且过原点，而视点在z 轴上，其坐 1 2 厦门大学硕士论文 一 塑塑塑垩垫垄堡垄垒丝翌壅垫查堕塞翌 - _ _ _ _ _ - _ _ _ l _ - - _ _ _ _ _ i _ - l _ _ i _ _ i _ - _ _ - - i _ _ l _ l _ l _ 一一。一一 标为( 0 ，0 ，d ) 。则空间象限上任意一点p ( x ，y ，z ) 在显示平面上的投影坐标为x p ， y p 矿是= 是 ( 2 - 1 ) = 瓦y p = 荔 u q7 该映射关系称为标准透视投影算法。 + x ( a ) 单视点透视投影 b ) 双视点透视投影 图2 6 立体视觉投影示意图 要产生立体视觉图像对，如图2 6 ( b ) 所不，我们将砚点分别杉全( - e 2 ，u ，d ) 和( e 2 ，0 ，d ) 作为左右目视点，其中e 表示目间距。这样，空间的任一点p ( x ，y ， z ) 对左视点的投影为p l ( x l ，y 1 ) 而= 音，乃= 是 q - 2 ) 而2 焉乃2 荔 u 吃， p ( x ，y ，z ) 对于右视点的投影为p r ( ) 【f ，y f ) x r ：等一= 是 协3 ， 2 萧”= 荔 u 。夕 对x l 和k 的解析式进行变换，则不难得出如下结果 而：掣一号 亿4 ) = 掣+ 詈 亿5 ) 第2 章虚拟现实技术研究 比较式( 2 1 ) 和式( 2 4 ) ，则可以按照下列算法求左目的投影点。对于空间任意 一点p ( x ，y ，z ) ：( 1 ) 将x 移到x + e 2 ；( 2 ) 采用标准的透视投影算法求p 点的投影 点；( 3 ) 将投影得到的点移动e 2 。 右目情况类似，只需将x 移到( x 刮2 ) ，再将整个结果移动e 2 。 2 5 本章小结 本章主要介绍了虚拟现实技术的相关知识。对虚拟现实技术的定义、特点、系统组 成、关键性技术和常用外设等都作了详细的说明，同时对其形成的机理和常用的算法等 进行了具体的阐述。 1 4 第3 章船舶的运动建模及数值仿真的实现 第3 章船舶运动建模及数值仿真的实现 3 1 船舶运动的概述 3 6 - - 3 8 】 1 船舶运动的坐标系 研究船舶的运动通常采用直角坐标系。基本的坐标系是固定坐标系( 也称地面坐 标系或静止坐标系) 和运动坐标系( 也称船体坐标系) 。按惯例一律采用右手系。固定 坐标系如图3 i 所示： e e ( a ) 图3 1 固定坐标系 1 1 上图所示为固定坐标系的三种形式。相对应的运动坐标系活船体坐标系也有几种 形式。船体坐标系得原点o 可以取船重心g 处，即o 与g 重合。如果船体结构对称， 则原点应取在对称面上。如图3 2 所示： 在实际运用中还有一种半固定坐标，它是以船速v 一起运动的直角坐标系，其位 置与平衡状态的运动坐标系g x y z 重合。 本文都采用第一种坐标系即图3 1 中的( a ) 与图3 2 中的第一种形式。 厦门大学硕士论文船舶的运动建模及虚拟现实技术的实现 图3 2 船体坐标的几种形式 2 船舶运动的形式 船舶在海上航行受海浪的影响，像任意的刚体一样会产生六个自由度的运动，即沿 三个坐标轴的直线运动和船体绕三个坐标轴的转动，这些运动中又有分单向运动和往复 运动，因此共有1 2 种运动形式，它们的在船舶运动中的名称分别如下表3 1 所示： 表3 - 11 2 种运动形式习惯名称表 坐标轴转动直线 单向运动往复运动单向运动往复运动 x 横倾横摇前进或后退纵荡 y 纵倾纵摇横漂横荡 z 回转首摇上浮或下沉垂荡 船舶的摇荡运动只要研究由波浪干扰引起的船舶往复运动，其中横摇、纵摇和垂荡 对船舶的航行影响最大，是研究船舶摇荡运动的主要内容。本文也主要针对三者进行分 析。船舶的摇荡运动，共同特点是在平衡位置附近做周期性的振荡运动，但产生何种振 荡形式取决于船首与风浪传播方向之间的夹角。 3 船舶运动的遭遇浪向 1 6 第3 章船舶的运动建模及数值仿真的实现 船首向与风浪传播方向之间的夹角叫做遭遇浪向。首向指的是船舶首尾线指向船 首的方向。当首相与风浪的传播方向一致时，遭遇浪向为零度。如图3 3 所示： 图3 3 船的遭遇浪向 当遭遇浪向在左右舷o 。1 5 。之间时称为顺浪。遭遇浪向在左右舷1 6 5 。1 8 0 。之间 时称为顶浪。顺浪和顶浪统称纵向对浪，纵向对浪主要产生纵向运动，它包括纵摇、纵 荡和垂荡，其中主要是纵摇和垂荡。遭遇浪向在左右7 5 。1 0 5 。时称为横浪。横浪主要 产生横向运动，它包括横摇、首摇和横荡，其中主要是横摇。遭遇浪向在左右舷1 5 。7 5 0 时称为尾斜浪。遭遇浪向在左右舷1 0 5 。1 6 5 。时称为首斜浪。尾斜浪和首斜浪既产生纵 向运动也产生横向运动。 3 2 谱分析理论基础 一般而言，估计风浪和船舶运动这样的平稳随机过程的统计特性有两种不同的途 径：一是在时间域内对随机取样进行分析，称为时域分析方法；另一种通过随机取样在 频域范围内的谱分析，结合瑞利分布的特性，对风浪，船体的应力等统计特性进行预报， 称为频域分析方法，这是应用较多的一种，本文也是采用频域分析法来研究船舶的运动。 海浪理论中的谱分析主要功能在于： ( 1 ) 预报波浪运动； ( 2 ) 确定波浪对物体的响应； ( 3 ) 模拟波浪的运动 1 7 厦门大学硕士论文船舶的运动建模及虚拟现实技术的实现 1 谱密度函数 ( 1 ) 谱密度函数的定义 一个随机的波幅函数，其波动总能量随( 波频率) 变化，当的改变量a m 很 小时波动总能量为记为面 ) ，则式( 3 1 ) 表示的即位能量密度谱密度5 l s ) = d e