（轮机工程专业论文）基于eon的船舶机舱集控室仿真系统.pdf

中文摘要摘要随着电子信息技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用，计算机仿真技术逐渐广泛应用于各个领域，轮机模拟器即是计算机仿真技术在航海领域的典型应用。集控室是船舶机舱区域的控制中心，设备密集，布置复杂，与机舱其他区域的各、种连接接口繁多，因此，对集控室设备的熟练控制至关重要。传统轮机仿真系统中，机舱系统仅仅为虚拟现实漫游系统，数据交互性还不完善；人机交互不强；没有提供高效的压缩算法和细分技术，故产生的文件较大，不利于网络传输；船舶虚拟现实大多是物理的或是半物理( 借助于实际硬件) 的仿真系统，增加了系统开发的成本；系统缺乏面向对象思想的辅助，因而系统后期维护会存在问题。建立船舶机舱集控室虚拟现实仿真系统，是对于现有船舶轮机仿真器很有益的补充，可以使机舱操作人员结合控制系统传输的数据对机舱内各机构的运行情况有直观的、立体的、实时的掌握，提高机舱控制的准确性和安全性。本系统采用s o l i d w o r k s2 0 0 6 开发三维模型，用v c6 0 环境下的e o n x 控件程序表现三维视景仿真虚拟环境，把虚拟现实技术和面向对象技术应用到船舶轮机模拟器中，完成了虚拟环境下船舶机舱集控室虚拟漫游和实时交互系统系统的开发，并在此基础之上强化系统的人机交互性。主要研究内容是：( 1 ) 三维模型的建立及优化，建立逼真的船舶机舱集控室虚拟场景；( 2 ) 实现集控室场景的实时漫游，实现自动漫游和可控漫游两种漫游方式，在漫游过程中实现不同漫游方式和不同观察者初始位置的切换；( 3 ) 实现对虚拟场景中主要部件的驱动，实现与轮机模拟器之间通信，实现虚拟机舱集控室与轮机模拟器之间的互操作。保持视景中虚拟集控室设备的状态与船舶轮机模拟器所模拟的相应设备的状态一致；并且可通过对虚拟机舱集控室中相关设备的控制，实现对轮机模拟器的操作。关键词：机舱集控室；虚拟现实；i ：o n ；面向对象英文摘要as i m u l a t i o ns y s t e mo fe n g i n ec o n t r o lr o o mb a s e do ne o na b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dw i d eu s eo fc o m p u t e r ,t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni si n c r e a s i n g l yp r o v e r b i a l l y m a r i n ee n g i n es i m u l a t o ri sat y p i c a le x a m p l eo fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni nt h ef i e l do fn a v i g a t i o n w i t hd e n s ee q u i p m e n t sa n dc o m p l e xc o l l o c a t i o n , t h ee n g i n ec o n t r o lr o o mw h i c hh o l d ss ov a r i o u si n t e r f a c e st oo t h e ra r e a s ，i sa c t u a l l yt h ec o n t r o lc e n t e ro ft h ee n g i n er o o mi na n ys h i p s ，s oa d r o i t l yd o m i n a t i n gt h ee q u i p m e n t si nt h ee n g i n ec o n t r o lr o o mi st h em o s ti m p o r t a n t i nt h et r a d i t i o n a lm a r i n es i m u l a t i n gs y s t e m ，t h ep a r to fe n g i n er o o mi so n l ys y s t e mw i t hv i r t u a lr e a l i t yr o a m i n g u s u a l l y , t h ed a t ai n t e r a c t i v ei si m p e r f e c t ；t h em a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o ni sn o ts t r o n g ；h a sn o tp r o v i d e dt h eh i g h l ye f f e c t i v ec o m p r e s s i o na l g o r i t h m ,s ot h a tt h ep r o c r e a n tf i l ei st o ob i gt ot r a n s f e ri nt h en e t w o r k ；m o s t l yi ti sp h y s i c so rp e r h a p sh a l fp h y s i c s ( w i t ht h ea c t u a lh a r d w a r e ) s i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hi n c r e a s et h ec o s to fs y s t e md e v e l o p m e n t ；l a c k st h eo b j e c t o r i e n t e dt h o u g h ta u x i l i a r y ，s ot h a tm a n yp r o b l e m sw i l lc o m ed u r i n gt h el a t e rp e r i o dm a i n t a i n i n go ft h es y s t e ma n dt h ei n c r e a s i n gf u n c t i o n e s t a b l i s h i n gt h ev i r t u a lr e a l i t ys i m u l a t i o ns y s t e mo fs h i p se n g i n ec o n t r o lr o o mi ss ob e n e f i c i a ls u p p l e m e n tt ot h ee x i s t i n gs h i p st u r b i n es i m u l a t o r , w i t hw h i c ht h eo p e r a t o r sc a nh a v ei n t u i t i v e l y , t h r e e d i m e n s i o n a l ，r e a l t i m eg r a s p i n gt ov a r i o u so r g a n i z a t i o n s o p e r a t i o n a la s p e c t ，t h u sc a ne n h a n c e st h ea c c u r a c ya n dt h es e c u r i t yo fo p e r a t i n gi nt h ee n g i n er o o mc o n t r 0 1 t h es o l i d w o r k s2 0 0 6i su s e dt od e v e l o pt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l si nt h i ss y s t e m ；t h et h r e ed i m e n s i o n a lg r o u n dv i e ws i m u l a t i o nv i r t u a le n v i r o n m e n ti sd i s p l a y e dw i t he o n xu n d e rv c6 o ：t h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n dt h eo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g yi sa p p l i e si nt h es h i p st u r b i n es i m u l a t o r ；a n dw i t ht h e s e ，t h ev i r t u a lr e a l i t ys i m u l a t i o na n d英文摘要r e a l - t i m ei n t e r a c t i v es y s t e mo fs h i p se n g i n ec o n t r o lr o o mi sc o m p l e t e d ；f i n a l l y , s y s t e m sm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o ni ss t r e n g t h e n e da b o v et h ef o u n d a t i o n s o ，g e n e r a l l ys p e a k i n g ,t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti s ：( 1 ) e s t a b l i s ha n do p t i m i z et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l ，s oa st of o u n dr e a l i s t i cs h i pe n g i n ec o n t r o lr o o mv i r t u a ls c e n e ；( 2 ) c a r r yo u tr e a l t i m er o a m i n go fc o n s o l er o o ms c e n e , i n c l u d i n gs e l f - m o t i o nr o a m i n ga n dh a n dc o n t r o l l i n gr o a m i n g ；b o t ho ft h ed i f f e r e n tw a y sa n dv a r i o u so r i g i n a lo b s e r v e rp o s i t i o nc a nb es w i t c h e d ；( 3 ) i m p l e m e n td r i v i n gt h em a i nc o m p o n e n t si nt h ev i r t u a ls c e n e , c o m m u n i c a t i n gb e t w e e nt h es i m u l a t i o ns y s t e ma n dt h em a r i n es i m u l a t o r k e e pac o n s i s t e n ts t a t eb e t w e e nt h ev i r t u a le q u i p m e n tsa n dt h ea c t u a lo n e s ；a n dm a n i p u l a t et h em a r i n es i m u l a t o rb yh a n d l i n gt h ee q u i p m e n t si nt h ev i r t u a ls c e n e k e yw o r d s ：e n g i n ec o n t r o lr o o m ：v i r t u a lr e a l i t y ；e o n ) 0 b j e c t - o r i e n t e d大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士硕士学位论文= = 基王星剑数艘舶拯舱篡控室笾真丕统除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：；_ 和岛弘力拜；月叫日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密( 请在以上方框内打。，)论文作者签名：鸫导师签名：铷日期：彻年；月叫e l基于e o n 的船舶机舱集控室仿真系统第1 章绪论1 1 引言随着我国航运能力的发展和对外经济交流的加强，以及船舶运输业的低成本、运量大等特点，船舶运输业越来越受到高度的重视，已经成为国际贸易的货物流通的主要渠道。但由于船舶的专业化和大型化，有些船舶的操纵性，变得异常复杂，给船舶操纵人员带来了更大的工作量和操船的安全隐患。虽然现代船舶已装备了各种先进的自动化设备，但真实世界中进行船舶航海实践，不但会耗费大量的财力和物力，而且还可能会因为设计上的缺陷造成不可预料的后果。为了满足船舶驾驶等相关技能培训的需要，各种类型的仿真培训系统受到国际社会的高度重视，在船员培训中得以广泛使用。国际海事组织( i m o ) 在最新修订的国际海员培训公约中规定：船员在正式航行前必须进行相关模拟器培训。这就要求轮机学员必须在上船工作前进行轮机模拟器操作培训【l 】。虚拟现实船舶仿真系统在增强船舶运航安全，提高航道的经济效率，改进海上交通管理等方面发挥着重要的作用，具有实船试验无法比拟的优点。首先是安全性，实船的航行试验存在航行危险，而模拟试验没有任何危险；第二是经济性，模拟试验的费用远小于实船试验，只有在航行模拟研究中可以根据需要调用任何一种船型和任何一种场景环境进行试验，而实船航行试验既费财力又只能针对一种工况条件【2 1 ；第三是可以模拟罕见的特殊外界条件对航道、船舶和泊位的影响，为科学设计和工程安全提供必须的数据，这一点是实船难以做到的。集控室是船舶机舱区域的控制中心，设备密集，布置复杂，与机舱其他区域的各种连接接口繁多。目前较为先进的船舶大多采用集散式控制系统。其特点之一就是在集控室或船舶操纵中心集中管理和控制机舱设备。具体实现就是在操作工作站，利用键盘和鼠标，通过操控计算机图形，实现控制和管理任务。良好的人机界面，使得管理者操作更加方便。现场设备的状态和监测信息是通过串行通信方式传送到操作工作站，并在显示屏上以图形或数字的方式予以显示。因此，不难看出轮机设备的管理正在发生着变化。第1 章绪论本文以大连海事大学新建实习船作为母型船，探索性地提出将全新的应用虚拟现实技术与概念的轮机模拟器设计结合起来，综合应用虚拟现实技术、仿真技术、计算机图形技术及多媒体技术，模拟设计出一个结构紧凑、高度集成、高智能化的船舶机舱集控室工作环境。全部系统包括集控室、集控室控制台及电站系统等多个单元，本文则主要介绍集控室主要部件诸如控制台的设计、建模和优化，虚拟仿真系统漫游，仿真系统与实船间实时数据交互，并总结了目前工作的不足，提出了后续工作要点。1 2 虚拟现实技术综述1 2 1 虚拟现实技术概述虚拟现实( 简称v r ) 技术是指利用计算机建立的人工媒体空间，通过多媒体传感交互设备使人进入一种虚拟的环境，并提供一种模拟显示的操作环境，利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、嗅觉的感观世界，使人们对所研究的对象和环境获得身临其境的感受，从而提高人类认知的广度和深度，拓宽人类认识客观世界的“认识空间 和“方法空间，最终达到更本质地反映客观世界的实质f 3 】。v r 有三个突出的特征：沉浸感( l , n m c r s i o n ) ，让参与者有身临其境的真实感觉；交互性( i n t e r a c t i o n ) ，通过使用虚拟交互设备，实现参与者与虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t )对象的自然交互；构想( i m a g i n a t i o n ) ，是指虚拟环境可以使人沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性的认识，启发人的创造性思维。虚拟现实( t ) ，作为一门先进的人机交流技术，已被广泛应用于军事模拟、视景仿真、飞机汽车制造、科学可视化等领域。它是计算机模拟的三维环境，用户可以走进这个环境( 用键盘、鼠标、游戏杆等输入设备) 来操纵场景中的对象，其图形渲染是“实时的，这是它与动画制作的最大区别。这种“实时性”导致了在虚拟场景中人机的可“交互性 。虚拟现实技术开辟了人类交流的新领域。它不仅可以模拟现实的世界，而且可以通过计算机虚拟出我们梦想的天堂。虚拟现实最重要的是“实时性”和“交互性”，它又称为“灵境技术”，是利用计算机生成一种模拟环境，通过各种传感设备使用户“投入 到该环境中，实现用户与环境直接进行自然交互的技术。它实际上是一种先进的人机接口，给用户提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作【4 】。基于e o n 的船舶机舱集控室仿真系统一般来说，要通过仿真来认识某个系统，首先需要建立一个尽可能逼真模拟该系统的模型，然后通过分析反复运行该模型获取的数据和结果来认识该系统。考虑到真实世界的复杂性，尽管“仿真”不是认识世界的唯一途径，但是对于那些具有很多不确定因素和随机性的系统来说，应用计算机仿真技术可以更好地达到认知的目的。现在使用的各种训练系统，诸如飞机模拟、单兵作战、船舶导航等都是典型的仿真应用，人们通过在代表真实世界情况的虚拟环境中进行模拟训练以达到或者近视达到进行真正实际训练时的效果。仿真技术从其诞生之日起就与可视化技术结下了不解之缘。从生理和心理的角度来说，人类所能接受的各种信息中百分之九十都来自视觉，人们在很早之前就开始自觉不自觉地使用“可视化”技术了，最简单的如通过使用表格、曲线、图例等手段来表述各种统计数据，用形象的示意图来表达抽象的概念等等。从概念上来说，可视化就是一种用图形或图像来表征数据的计算方法，即利用计算机图形图像技术将一维数据转化为可观察的二维或三维几何表示，从而达到增强人们对抽象信息认知的目的【5 1 。1 2 2 虚拟现实中建模的特点及方法如果说几何建模是虚拟现实建模的基础，行为建模则真正体现出虚拟现实的特征：一个虚拟现实中的物体若没有任何行为和反应，则这个虚拟现实是孤寂的，没有生命力的，对于虚拟现实用户是没有任何意义的。虚拟现实建模同其它图形建模系统相比有自己的特点，主要表现在以下三个方面：虚拟现实中可以有非常广泛的物体，往往需要构造大量完全不同类型的物体；虚拟现实中有些物体必须有其自己的行为，其它图形建模系统往往只是构造静态的物体，即使有运动，也往往是比较简单的诸如平移或旋转等形式；虚拟现实中的物体必须能够对观察者做出反应。当观察者与物体进行交互时，物体必须以某种适当的方式做出反应，而不能忽视观察者的动作。这些建模特点给虚拟现实建模技术和软件提出了特别的需求，包括【6 】：( 1 ) 可重用性。虚拟现实中的物体是广泛的，开发一个物体的几何和行为模型往往需要花费很大的精力如果标准模型库可重用，则可节省大量劳动；( 2 ) 在交互时，模型应能提供某种暗示，使得交互能按意图进行；( 3 ) 在构造物体的集合结构时，须充分考虑到是否有利于表现物体的行为。第1 章绪论建模方法是虚拟现实技术中最重要的技术领域，也是虚拟现实技术中的关键技术之一。正如计算机图形领域的著名学者伊万萨瑟兰所说的那样：“计算机屏幕只是一个窗口，但通过这个窗口，我们可以看见一个虚拟的世界。我们面临的挑战是如何使这个世界看起来真实、动起来真实、听起来真实、摸起来真实! 而所有这些“真实 的实现，依靠的就是建模技术 7 1 。在虚拟现实建模技术中最先得到发展的是几何建模。几何建模是用来处理物体的几何形状的表示，研究图形数据结构等基本问题。几何建模技术的研究对象是物体几何信息的表示与处理。它涉及表示几何信息的数据结构，以及相关的构造与操纵该数据结构的算法。建模技术的进一步发展是物理建模，即【8 】：在建模时考虑对象的物理属性。几何建模与物理建模相结合，可以部分实现虚拟现实“看起来真实、动起来真实 的特征，而要构造一个能够逼真地模拟现实世界的虚拟环境，必须采用行为建模方法。行为建模处理物体的运动和行为的描述。1 3 虚拟现实发展现状1 。3 1 国外发展现状v r 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代的美国，最早是由v p l 探索公司和它的创始人j a r o nl a n i e r 提出的。美国v r 研究技术的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。美国宇航局( n a s a ) 的a m e s 现在正致力于一个叫“虚拟行星探索 ( v p e ) 的试验计划，这一项目能使“虚拟探索者 ( v i r t u a le x p l o r e r ) 利用虚拟环境来考察遥远的行星，他们的第一个目标是火星。现在n a s a 已经建立了航空、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 研究最早最著名的大学。他们主要研究：分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。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。这个媒体实验室建立了一个名叫b o l i o 的测试环境，用于进行不同图形仿真技术的实验。利用这一环境，m i t 建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。s r i 研究中心建立了“视觉感知计划 ，研究现有v r 技术的进一步发展。1 9 9 1 年后，s r i 进行了利用基于e o n 的船舶机舱集控室仿真系统v r 技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行事故。另外，s r i还利用遥控技术进行外科手术仿真的研究 9 1 。在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模v r 知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。但日本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。n e c 公司计算机和通信分部中的系统研究实验室开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用“代用手 去处理三维c a d 中的形体模型【l o 】。筑波大学工程机械学院研究了一些力反馈显示方法。他们开发了九自由度的触觉输入器；开发了虚拟行走原型系统，步行者只要脚穿全方向的滑动装置，他就能交替迈动左脚和右脚。富士通实验室有限公司正在研究的一个项目是虚拟生物与v r环境的相互作用。他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。欧共体认为v r 是一门新兴技术，已经组织了几次评价v r 的专题活动。德国d a m a s t a d t 的f r a u n h o f e r 计算机图形学研究所开发一种名为“虚拟设计 的v r 组合工具，可使得图像伴随声音实时显示。随着计算机技术的迅速发展，虚拟设计的组合工具也奇迹般的变化着，现在进行v r 设计时，可以实时遍历的生成现实景物，它允许生成多达5 万个以上三角形的复杂景物。英国的b r i s t o l 有限公司发现v r 应用的焦点应该集中在软件与整体综合技术上。他们在软件研究和硬件开发的个别方面在世界上处于领先地位。该公司将v i z 分成三大类别【l l 】：实际环境检测、虚拟环境控制、虚拟环境显示。荷兰的v r 研究工作主要是研究一般性的硬件软件结构问题、人员因素问题，以及在工业和培训中的应用。例如：荷兰应用科学研究组织( t n o ) 的物理与电子实验室( f e l ) 有一个仿真训练组，将大家关心的一些仿真问题集中在该训练组进行研究。1 3 2 国内发展现状v r 技术是一项投资大，具有高难度的科技领域，和一些发达国家相比，我国还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展v r 技术的研究，例如：九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把v r 列入了研究项目。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。第1 章绪论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，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，井着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接【1 2 】。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，该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们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。哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出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，并正在研究人说话时头势和手势动作，语音和语调的同步等。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，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法【1 3 】o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。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于j p e g 标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图像对算法回显及软件接口。他们在硬件开发上已经完成了l c d 红外立体眼镜，并且已经实现商品化。北方工业大学c a d 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片相似就出自该中心。关于虚拟现实的研究已经完成了两个“8 6 3 项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处理，基于e o n 的船舶机舱集控室仿真系统完成了v r 图像处理与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库，制作了一些相关的体视动画光盘【1 4 1 。另外，西北工业大学c a d c a m 研究中心，上海交通大学图像处理及模式识别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与信息科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。1 4 虚拟现实技术在船舶中的应用现状1 4 1 国外应用现状国外对于计算机仿真技术在舰船操作模拟方面的应用研究始于上世纪五十年代，经过3 0 多年的发展，到上世纪八十年代就已十分成熟。如美国“海军海上系统司令部研制的“洛杉矶级潜艇训练系统 就采用了当时较为先进的视景仿真技术，除了具有真实的场景，还可以模拟潜艇任意自由度的实时运动，并对艇上的一些突发事件进行模拟，在视觉、听觉等方面给受训人员提供了一个逼真的培训平台f 1 5 】。美国海军已启动名为“虚拟环境技术应用于训练 计划。基于v r f v e 的航海系统训练模拟器具有如下优势：( 1 ) 较之传统模拟器，它所创造的环境更逼真，更引人入胜，从而能提高模拟器在某些应用中的有效性；( 2 ) 可缩小模拟器的尺寸，减小模拟器装置的数量( 多投影仪和多通道图像投影仪) ，从而能降低成本；( 3 ) 应用时不用指导人员和学员直接打交道，可以减少模拟器操作人员的需求量，从而能降低其运行费用；( 4 ) 增加学员在主模拟器上的净训练时间，提高训练的效率。有些国家己经或正在开发用于航海操作训练的v r 模拟器，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 d ) 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。与普通航海模拟器不同，它不需要大屏幕和投影仪，学员只需要戴上一顶“帽子 ( 即h m d 头盔) ，模拟器的屏幕就在“帽檐 的前端，和学员的眼睛距离不到0 3 m 。由于该系统的h m d 分辨率低，且其视景更新频率低( 低于1 0 h z ) ，延迟较大，故训练中有部分学员出现“模拟器综合症”( 头疼、恶心、眼睛疲劳等) 。v f s u r 是由美国海军发起展开的v r 训练系统项日，是为潜艇o o d 港区航行训练而设计的。潜艇在第1 章绪论水而航行，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。v f s u r 是一个十分庞大的项目，参与部门多，开发阶段长，前后可分为探索开发、技术论证和采办部署3 个阶段。系统的基本理念和m a r s 相似，但它考虑的因素十分复杂( 包括风、流、浅水、岸壁和能见度等环境因素，多个真实港1 3 的数据库，多种潜艇水动力模型，锚、缆、碰垫和拖船等) ，运用的高新技术多( 高性能视景成像设备和语音识别系统，高分辨率h m d 和高灵敏度位置跟踪器等) ，功能也十分强大( 达到了综合船舶操纵模拟器的水平) 【婚l 。在民用航海船舶仿真领域，欧洲国家表现非常突出。挪威n o r c o n t r o l 集团公司生产的n o r v i e w1 0 0 0 ，2 0 0 0 ，3 0 0 0 系列船舶操纵模拟器处于世界领先水平。在其视景系统中构建了人工风景，航行目标船舶，船舶航迹，港口建筑机械等关键景物，并提供不同能见度下的海洋环境，绘制逼真的港口房屋，机械以及模拟船舶的横摇，纵摇操作。英国船商有限公司也一直致力于航海操纵模拟器的研发。他们开发的航海操纵模拟器视景系统还提供了以下要素：可靠性，精确性，与传感器( 雷达、定位仪等) 的相互作用，与船舶改变航向，航速的关系，白天和黑夜的操作，岸上特征，导航标志等。用户可以根据需要编辑视景效果，并且可以根据资料来定做新的海港区域或者港区的视景内容，以及与三维视景动态协调的电子海图和雷达图像【1 6 1 。在船舶机舱虚拟现实技术方面，英国船商公司推出最新轮机模拟器e r s 4 0 0 0 将“虚拟现实 技术引入轮机模拟器，实现机舱的漫游和机舱设备的基本操作等功能。在软件设计方面，t r i b o ns o l u t i o n s 公司推出t r i b o nm 3 船舶设计建造信息系统设计的船舶模型，可以依据相关数据在计算机上进行三维设计，造一艘完整的“数字船 ，通过鼠标，即可让来访者到船上轻松漫游，不仅能看到船体的外部形状和设施、船舱内部的设备和管线，还可看到船体在模拟的大海中航行的状态【l6 1 。1 4 2 国内应用现状在我国，许多航海类院校和科研机构都在从事船舶模拟器的应用及研发工作。其中以大连海事大学、武汉理工大学和上海海运学院科研的实力较为雄厚，都拥有具有自主知识产权的船舶轮机模拟器。基于e o n 的船舶机舱集控室仿真系统上海海运学院研究的s m u i v 型船舶操纵模拟器装备了全天候视景显示，可显示各种能见度下的视景。系统配备了一套较为完整的驾驶台设备，可以更为直观的模拟和显示船舶在海上或港口的操纵状况。大连海事大学的航海动态仿真实验室也借助于硬件系统实现了良好的仿真环境，达到了一定的水平。大连海事大学研制的国家“2 1 1 ”工程重点项目“大型船舶操纵模拟器 ，己投入使用，是目前国内最为接近世界先进水平的视景仿真系统。大连海事大学研制的d m s 2 0 0 0 型轮机仿真器实现了机舱虚拟现实仿真系统。在国内外首次使得轮机仿真器具有船舶柴油主机三维运动可控制模型和虚拟机舱漫游等机舱视景。实现了虚拟现实三维建模、双目视差分时式立体视觉显示，视觉现场感产生等关键技术。首次实现了虚拟集控台、虚拟驾控台和机旁应急操纵仿真系统的虚拟车钟、虚拟油门手柄和虚拟按钮对于船舶柴油主机三维运动模型的实时操纵控制。清华大学、大连海事大学合作研究，并于2 0 0 1 年成功研制出了我国首台基于虚拟现实的船舶轮机仿真训练系统。该系统模拟机舱的虚拟现实视景，设计了虚拟机舱漫游仿真系统和虚拟集控室与虚拟驾驶台遥控仿真系统；可实现在虚拟驾驶台、集控台、机旁应急操纵台仿真界面上操纵虚拟车钟、虚拟油门手柄、虚拟按钮等完成对主机三维运动模型的实时操纵控制。该仿真系统采用世界工具包w o r d t o o l k i t ( w t k ) 和桌面虚拟环境系统汀虚拟环境开发工具开发。其中虚拟机舱漫游系统由w t k 生成，虚拟驾驶台、虚拟机舱集控室、虚拟控制台及虚拟仪表等应用虚拟现实环境编程开发工具s u p e r s c a p e v r t 实现。1 4 3 传统轮机仿真系统存在的问题在传统轮机仿真系统中，机舱系统仅仅为虚拟现实漫游系统，数据交互性还不完善；人机交互不强；没有采用先进的虚拟现实平台e o n ，所以不支持多种c a d 数据格式，操作比较复杂；不支持w e b ，即不能采用网页的形式与三维场景进行通信；没有提供高效的压缩算法和细分技术，故产生的文件较大，不利于网络传输；船舶虚拟现实大多是物理的或是半物理( 借助于实际硬件) 的仿真系统。增加了系统开发的成本；即便是某第1 章绪论些模拟器采用了e o n 作为开发平台，但确没有与v c 等强大的编程工具相结合，使得系统缺乏面向对象思想的辅助，因而系统后期维护，功能的增加等，都会存在问题。1 5 研究目的和意义中国是i m o 成员国，s t c w 公约的缔约国，我国航海院校必须配置各类航海模拟器。从八十年代大连海运学院从挪威n o r c o n t r o l 公司引进第一台航海雷达模拟器和轮机模拟器开始，仿真系统对我国的航海教学起到了积极的作用，但也深深感到技术掌握在别人手中的种种弊端。随着s t c w 7 8 9 5 公约履约日益临近，研制大型船舶操纵与轮机仿真系统，打破西方发达国家对我国航海仿真系统市场的垄断迫在眉睫。开发船舶轮机仿真系统的主要目的之一就是进行本科教学，建立一种包括硬件平台的半实物仿真环境，让学员不仅能够熟悉整个船舶轮机的操作，更对整个船舶的组成结构有深入的了解。但是开发这样一种仿真器也有一些不尽如人意的地方，如开发的费用是非常高的。在对学员进行培训前，很多学员并没有上过船，不了解船舱内的结构及机舱内设备的布置，不能快速进入一种训练的状态。若开发一种虚拟的机舱视景仿真系统，反映出实船机舱的布置，让学员在接受培训前，先通过这样一种软环境了解船舶机舱内的结构和设备布置，可以对学员的培训起到辅助作用。但由以上虚拟现实技术在船舶中应用存在问题中，可以看出，船舶机舱集控室交互性的仿真系统应用还不完善，这是由于长期以来轮机机舱设备繁多，视景杂乱，图像制作困难，使轮机模拟器至今与机舱视景无缘，只是推进装置运转工况参数的仪表指示和报警显示。因此，机舱集控室虚拟仿真系统的开发具有重要的现实意义。本文正是在实验室为大连海事大学新建实习船开发的轮机模拟器基础上，基于p c把虚拟现实技术应用到船舶轮机模拟器中，构建实现船舶轮机机舱集控室虚拟漫游和实时交互系统。另外，通过实现船舶机舱集控室虚拟现实仿真系统与船舶轮机模拟器之间实时通信，实现虚拟机舱与船舶轮机模拟器之间互操作。系统实时接收轮机模拟器的数据，保持视景中虚拟设备的状态与船舶轮机模拟器所模拟的相应设备的状态一致；并且可通过对虚拟机舱中相关设备的控制，实现对轮机模拟器的操作。基于e o n 的船舶机舱集控室仿真系统因此，建立船舶机舱集控室的虚拟现实仿真系统，是对于现有船舶轮机仿真器很有益的补充，可以使机舱操作人员结合控制系统传输的数据对机舱内各机构的运行情况有直观的、立体的、实时的掌握，当发出一些指令后操作员能够实时的看到机舱内相应机构的动作情况，这就可以提高机舱控制的准确性和安全性。1 6 本课题研究的内容本课题预期的主要研究目标是开发出基于e o n 的船舶机舱集控室虚拟现实仿真系统，建立逼真的船舶机舱集控室虚拟场景，实现人在虚拟机舱环境中的漫游；实现对虚拟场景中主要运动部件的驱动，实现与现有船舶轮机模拟器之间通信，实现虚拟机舱集控室与轮机模拟器之间的互操作，保持虚拟场景中虚拟仪表、虚拟指示灯等部件的状态与船舶轮机模拟器相应部件的状态一致。本课题主要研究内容是：( 1 ) 机舱集控室三维环境模型的建立及优化；( 2 ) 实现集控室场景的实时漫游，实现自动漫游和可控制漫游两种漫游方式，在漫游过程中实现不同漫游方式和不同观察者初始位置的切换；( 3 ) 实现与轮机模拟器之间通信，实现虚拟机舱集控室与轮机模拟器之问的互操作。保持视景中虚拟集控室设备的状态与船舶轮机模拟器所模拟的相应设备的状态一致：并且可通过对虚拟机舱集控室中相关设备的控制，实现对轮机模拟器的操作。本仿真系统总体框图如图1 1 所示。图1 1 仿真系统总体框图f i g 1 1t h eo v e r a l ld i a g r a mo ft h es i m u l a t i o ns y s t e m基于e o n 的船舶机舱集控室仿真系统第2 章系统总体解决方案2 1 需求分析根据船舶轮机模拟器功能的需要及实际应用的需求，船舶机舱虚拟现实仿真系统应具有以下几方面功能：( 1 ) 虚拟机舱集控室场景漫游。根据实船机舱集控室场景，建立逼真的虚拟场景三维模型，实现对虚拟场景的实时驱动。实现可控制漫游和自动漫游两种漫游方式。在可控制漫游方式下，漫游者可以随意改变观察者的视角和位置，控制观察者在虚拟机舱集控室中漫游；在自动漫游方式下，系统根据设定好的路线自动漫游；在漫游过程中可以通过菜单实现可控制漫游方式和自动漫游方式之间的切换，及不同观察者初级位置之间的切换。( 2 ) 实现虚拟机舱集控室设备与船舶轮机模拟器之间的网络化互操作。建立与船舶轮机模拟器之间通信，实时接收模拟器的数据，保持虚拟场景中虚拟集控室设备的状态与船舶轮机模拟器相应设备状态一致；通过对虚拟机舱集控室中相关设备的控制，实现对轮机模拟器的操作。( 3 ) 建立完善的碰撞检测。在可控制漫游方式下，漫游者控制的观察者在机舱中漫游时，当接触到机舱中的设备和墙壁时，做出必要的反应，以增加场景漫游的真实感。2 2 系统实现平台目前，虚拟现实漫游仿真系统的开发环境大致分为以下三种：( 1 ) 底层图形开发接口+ 高级编程语旮1 7 1 。目前流行的底层图形开发接t l ( 及p 图形硬件的软件接口) 有o p e n g l ，d i r e c t x 等，其中o p e n g l 更成为一种性能卓越的三维图形标准，并可在多个操作系统中运行。这种方案采用了底层的图形开发接口，因而执行效率相对会比较高，而且用户不必额外安装其它商用软件，可减少软件维护成本。但也正因为这种方案采用的是底层的图形开发接口，使得需花费大量的额外时间用于三维图形显示引擎的设计与开发( 如对实体的渲染着色，虚拟环境的建立，部件运动的实现等进行编程) ，增加了编程的难度，开发工作量大，不利于集中时间与精力去对虚拟操作与仿真相关内容的细致研究。第2 章系统总体解决方案( 2 ) 基于商用c a d c a m 软件进行二次开发。现有的商用c a d 软件，诸如s o l i d w o r k s ，p r o e ，u g 等，大都提供了强大的结构设计功能和二次开发接口。这种方案充分借助了成熟的系统强大的三维图形仿真能力来实现虚拟装的功能，高级编程语言通过c a d c a m 系统的二次开发接口进行功能扩充( 如数据库的读写，网络传输，人机交互等方面) ，大大减少了开发工作量，缩短系统的开发周期，成本投入少，硬件要求低，且开发的系统能够与现有的c a d c a m l a p p 系统相集成。但是，如果基于某一个特定的c 削d c a m 软件进行二次开发，所开发的虚拟装配系统无法处理异构c a d 平台的模型对象。所以，该方案对c a d 平台的依赖性大，用户必须安装相应的c a d c a m 系统才能正常运行，增加了软件的开发成本与维护成本，并且程序的可移植性差，更重要的是交互功能差，并且不具备产生沉浸感的功能【蝎l 。( 3 ) 基于具有独立功能的虚拟现实系统进行虚拟装配系统的开发。虚拟现实专业系统软件可以帮助用户完成实时交互虚拟环境的建立、模型可视化、虚拟环境漫游等功能的开发【1 9 】。此外，还提供各种虚拟外设( 立体眼镜、头盔显示器、跟踪定位器和力反馈数据手套等) ，用户可以通过它们来感知和控制整个虚拟世界。由于用户借助这类专业系统的强大功能可以快速地开发自己的虚拟现实仿真系统。因此，本文选取第三种开发方案对虚拟环境下船舶机舱集控室进行仿真。其具体开发软件平台构成如下：( 1 ) v r 开发平台：e o ns t u d i o5 0 ；虚拟环境平台是帮助用户创造虚拟环境的通用和商业化软件，可以帮助用户有效地节约开发时间，减少建模成本。这类软件通常包含3 个功能：构造虚拟视境、创建树状结构的虚拟世界、模拟虚拟世界的物理行为。而e o ns t u d i o5 0 非常完善地支持了这3个功能。几何研发成本、市场竞争力等方面，本系统采用e o ns t u d i o5 0 进行二次开发。( 2 ) 3 d 建模工具：s o l i d w o r k s 和3 d sm a x7 o ；由于e o n 本身不是3 d 绘图软件，自身无法创建模型，需要专门的场景建模软件来帮助建立模拟环境场景，由于s o l i d w o r k s 对机械零部件建模的优势，和3 d sm a x 对复杂模型建模的便利性，且提供了制作曲线曲面的功能及动画录制功能，这两种功能对构建表面曲度变化大的物体和规划场景中的物体的运动路径有很大的帮助，故采用s o l i d w o r k s 和3 d sm a x 相结合的方式来创建