vr技术论文范文

导语：如何才能写好一篇vr技术论文，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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［关键词］虚拟现实技术;环境艺术设计;应用研究

vr技术通常是需要网络以及多媒体技术来支撑，且其在功能性方面表现出是一种综合的信息技术。VR就是虚拟现实，这种技术基于电脑的系统来将虚拟的情景在画面当中展示出来。并且，在展示的过程当中，融入了人的语音语调以及各种肢体动作，使其能够完整的在虚拟画面中得到展现。由于VR技术发展到现在已经比较完善，所以将其广泛的应用到各种设计当中。本文将针对VR技术应用于环境艺术设计当中进行研究，从VR技术与环境艺术设计的内涵入手，对应用的效果和范围展开具体的分析。

1VR技术概述和特征

1．1浅析VR技术

VR技术依旧是虚拟现实技术，其实质是将一系列先进技术进行集合，比如计算机仿真技术、网络技术以及多媒体技术，通过将这些技术进行集合营造出一个三维立体的虚拟环境，并且利用多种设备来使虚拟环境能够支撑，最后实现多维度的信息空间。VR技术会根据用户需求的差异性通过不同的技术手段来构建不同的虚拟场景，并最终将虚拟的场景展现给用户，使用户能够在立体场景中获得趋向现实的感受效果。

1．2VR技术的特征分析

人类在进行感知时依靠的是视觉、触觉以及听觉各方面能力，通过VR技术手段构建的虚拟现实环境，其需要达到的最佳效果就是能够满足人类的感知能力。当前的VR技术手段尚未达到比较完美的感知效果，但也具备一定的感知能力。并且，人们可以在虚拟的环境当中能够与虚拟的事物产生互动，尽管这种互动并不是真实意义上的触觉效果，但是在一定程度上也能够使人们视觉上感受到互动，也是VR技术的一种独有特征［1］。在虚拟的环境当中最主要的特征是其构想性，通过对虚拟环境的探索，人们在一定程度上满足了想象力中的场景需求，这是VR技术中最显著的特征。

2环境艺术设计中运用VR技术的价值

我国的环境艺术设计宗旨是能够使用最低的成本设计出最大效益的设计方案。这就需要在实际设计过程中，要采取一切可行性的手段来对环境艺术设计的质量和效果得到提升。那么将VR技术运用到环境艺术设计当中也是适应了当前状况的需求，环境艺术设计方案的内容在展现的过程中会使人难以理解，通过虚拟现实技术的应用，可以为环境艺术设计提供相应的支撑，并且使设计方案能够更直观的展现出来，这将会促进环境艺术设计的质量和效果达到更高层次。

3VR技术应用于环境艺术设计之中的研究

3．1将艺术设计的效果直观展现

环境艺术设计的展现从最早的手绘图纸到电脑的效果图制作再到建筑动画制作这一发展进程，已经经历了多次展现手段的变更。而虚拟现实技术在当今时代的广泛应用也为环境艺术提供了新的展现形式。与传统的展现形式相比，通过虚拟现实的场景来对环境艺术设计的内容加以展现，可以使客户在虚拟环境中通过触觉、视觉以及听觉全方位加强对感官的刺激，使环境艺术的效果展现的更加直观。

3．2改善环境艺术项目的经济效益

VR虚拟现实技术已经被广泛的英语与环境艺术设计当中，在具体的应用操作中，最有优势的体现是该技术促进了环境艺术相关项目经济效益的提升。由于VR运用计算机软件在比较短的时间内就可以构建出三维立体结构，代替了传统意义上实体的框架结构，在这一层面上就已经对成本达到了降低的效果。而在三维立体虚拟环境当中，对具体的物件进行构建也花费不了太多时间，同样只需要在软件中进行相应的调整即可，也避免了在实际当中花费的时间和成本，极大的提升了环境艺术项目的经济效益。

3．3有效避免环境艺术设计方案中的问题

在环境技术设计中，往往需要借助多种知识体系，将其融合才能对设计的内容达到完善效果，如果在其中运用的部分知识出现了错误性的理解，就会对整体的环境艺术设计产生影响，甚至要重新整体进行修改。而运用VR技术则可以使这种问题在操作中得到避免，虚拟现实系统当中由于对虚拟环境进行建模的技术，在构建开始以前需要通过表格图示等形式来对数据进行统计，并且对概念达到深层次的理解。VR技术在应用中还可以实现后台的处理效果，使环境艺术设计能够在运用VR技术的基础上，有序的进行运作，每一个环节的技术都能够在特殊情况进行单独处理，使环境艺术设计方案出现问题时第一时间就得以解决，大大提升了设计的效率。

4结语

在现代化科技层出不穷的背景下，要将科技有效的应用到各领域当中，使科技技术能够发挥最大的作用。通过VR技术在环境艺术设计当中的运用效果，可以发现该技术能够使环境艺术设计从传统形式上加以改进，并且也促进了其经济效益，所以VR技术能够在这些相关的项目当中实现技术的价值，在以后可以更广泛的对其进行推广。

参考文献:

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选题一：移动直播

参考方向：移动直播技术升级、秀场直播模式分析、移动直播内容产业分析、传统媒体移动直播试水。2016是视频直播的元年，看看各大互联网公司、媒体在布局直播时的力度就知道了。直播实在是个太大的主题，虽然不能方方面面都进行研究，但你至少可以将关注点聚焦在某一具体领域，比如以《华盛顿邮报》为例分析媒体转型中的直播运用，再比如Facebook等互联网巨头的社交直播等等。

 

选题二：VR虚拟现实+内容

参考方向：数字媒体VR报道实践、VR纪录片的生产与分发、国内媒体VR新闻创新案例与应用前景。当今科技界聊的最多的话题，大概不是直播就是VR。VR真是一盘超大的棋，各个巨头纷纷入局，不管是VR硬件设备，还是VR内容生产似乎总有无穷的潜力等待挖掘，Facebook的小扎更是全力“押宝”VR。那你能研究些啥呢?数字化媒体如何运用VR进行多元化新闻报道呈现形式?VR内容生产的现状、前景与忧虑?更酷的同学是不是还可以学习美国大学生做个VR毕设?期待你们的脑洞!

 

选题三：资讯短视频

参考方向：国内短视频创业综述、青年用户短视频消费习惯调查、社交时代短视频的传播特征。有没有发现一夜之间，短视频火了，网红、垂直行业、社交巨头...入局者甚多。媒体人转型投身短视频内容创业，更让大家对短视频领域充满好奇。短视频为什么这么火?为什么这么多媒体人将创业目标置于此?短视频是如何带来大规模流量的?互联网、媒体巨头又是如何布局短视频大棋的?……多看看相关研究，你或许会有更多灵感。

 

选题四：突发新闻报道

参考方向：外媒如何利用社交媒体报道突发、直播在突发报道中的作用、突发报道中的社交信源核实方法论。近几个月国际国内突发新闻不断，面对这样的突发新闻，媒体作何反应?如何报道?运用什么先进工具来提高报道效率?社交媒体如何聚合消息?发挥何种作用?成为“报道主力”后又对这个传播版图有着怎样的影响?……当下全新的传播环境中，这些都是值得走心研究的好问题。

 

选题五：IP价值

参考方向：媒体如何用IP思维打造新闻产品、特稿的IP变现之路、玄幻剧IP的营销与发行。将IP誉为当下互联网行业的掘金矿似乎也不为过。“IP是个筐，什么都能装。”看看暑期档热播的各大电影、电视剧哪个不是IP改变的功劳?里约奥运只知道follow宁泽涛、泥石流，却没发现体育爱豆背后的巨大IP价值?布朗熊、可妮兔超可爱，可她们同属的LINE“帝国”却靠IP衍生创造了巨大的商业价值……年轻人，看剧看奥运看电影玩的不亦乐乎时，可别错过值得研究的论文选题哦。

 

选题六：新闻编辑室“黑科技”

参考方向：外媒编辑室如何运用AI系统提升效率、聊天机器人在新闻报道中的运用、全球机器人写作发展综述。诸多媒体似乎一直在致力于新闻编辑室的工具改革，无论是《纽约时报》的数据分析系统Stela，英国智能内容服务软件Echobox，还是具有写稿、聊天功能的机器人，它们都在尝试提高编辑室的工作效率，最终实现传播效率的最大化。深入研究一下国内外媒体的编辑室工具改革，新闻业务小能手说不定就是你!

 

选题七：数据新闻

参考方向：媒体数字报道创新(以里约奥运报道为例)、社交传播环境下数据新闻的创新范式。

数字新闻仍是当前新闻报道的一个热门方向，从刚刚过去的里约奥运中便可看出端倪。《纽约时报》、《金融时报》、《华盛顿邮报》、NBC、BBC等一票大佬媒体都使出浑身解数在数字新闻上做足功课。对新闻实务感兴趣的童鞋不妨多多关注这个领域。

 

选题八：粉丝经济

参考方向：SNH48的粉丝经济模式研究、社交媒体在粉丝经济中的作用、粉丝研究：新型粉丝关系下的粉丝权力。随着现在以TFBOYS、SNH48为代表的各类男团、女团的崛起，粉丝经济也越来越引起人们的关注。粉丝权力如何将偶像团体推向名利的高点?偶像团体又怎样运用“粉丝经济”来稳固自己的根基?……这些或许都是值得你研究的问题。

 

选题九：网络综艺

参考方向：网络综艺与电视综艺的对比分析、网络综艺的营销之道(以《奇葩说》为例)、传统电视综艺节目的互联网+模式创新。近年来传播环境的改变催生各种传播内容、传播形态的转变，网综作为当下的一支娱乐力量借助移动互联网大势迅速崛起。网综领域似乎从来不缺新玩法，卖污、神后期等等各种各样令人眼花缭乱的网综术不断出现，冲击着我们的接纳能力。

 

选题十：媒体从业状况

参考方向：媒体人生存状况调查、海外数字媒体裁员背后的问题。关注媒体人从业状况的童鞋看过来!媒体转型的当下，当无冕之王的光环褪去，媒体人的生存状况究竟如何?他们过得还好吗?他们都在干嘛?媒体裁员已经从传统媒体蔓延到数字媒体了吗?这些令人揪心的问题，你或许可以通过对媒体人的量化研究与深入访谈入手。

篇3

3月17日，阿里巴巴宣布成立VR实验室，瞄准的是VR购物。同时，它会联合旗下的阿里影业、阿里音乐、优酷土豆，制作VR内容。而今年下半年，腾讯将基于PC端和移动端的两款VR头部显示器。

根据美国风险投资数据公司CB Insights的数据，2017年第一季度，AR/VR领域的投资项目超过80个，同比增长60%。报告还披露了Facebook和苹果分别为其A/VR工作招聘了一千多名员工。

所谓VR，就是通过计算机技术为用户模拟出逼近现实的虚拟环境。其沉浸式体验和交互方式带来的新的娱乐方式，吸引了从硬件技术到内容生产和分发的多个公司。除了阿里巴巴、腾讯、Facebook和苹果，HTC、三星、索尼等公司都在这个领域展开业务。

目前，这个行业的人才供应远低于需求。人力资源平台领英去年的一份针对全球范围内VR人才的报告显示，在领英的人才库里，有18%的人才需求来自VR行业，仅次于美国，但合适的VR人才只有2%。

熬过资本的冬天并存活下来的公司变得更加务实，而且开发了更多样化的应用场景―除了去年的影视、游戏产业，今年它们还进入到了医疗行业、制造业、零售业等新领域。

如果你对VR行业感兴趣或者看好它的前景，我们将告诉你这个领域正在找哪些人、薪水怎么样，以及怎样可以加入。

AVRO备的核心职位主要有3种

VR硬件的核心技术很复杂，涉及算法、光学、系统开发、交互、图形图像等多个领域，核心职位围绕的都是这些方向。它们也多是HTC、三星等硬件公司的VR业务范围。

算法工程师

这是VR领域最基础的职位。VR的功能是通过一副眼镜，让人既看到人眼看不到的东西，又能在虚拟空间中移动，还能对虚拟景象形成真实感，因此需要一套算法把这些感官上的功能都实现。通常，算法工程师关注的是如何解决某一类特定问题或实现某一特定功能。在VR领域，这一职位主要需要懂计算机视觉、空间定位、交互技术、图形图像等算法。

计算机视觉主要是指以摄像头代替人眼识别目标和提取特征，工程师需要探索最新的算法以及技术的可行性，负责视觉和图像的处理；空间定位指的是通过VR设备使用者能确定自己在空间中的位置，高精度的空间定位可以为用户带来更好的沉浸感并降低眩晕程度；接下来，交互算法工程师负责手势识别、视线估计、动作捕捉、追踪等相关计算机视觉算法的研发，研究实际空间中的动作如何延伸到虚拟空间中；然后是图形图像的处理，它要求在满足性能的前提下提高画质，用更快的速度和更少的资源去画像。

光学和人体工学工程师

光学要解决的是让VR设备的镜片在保证沉浸感和清晰度的同时，尽可能加大视场角，让人在佩戴VR设备时看得更清晰；人体工学关注的则是人在佩戴VR眼镜时的舒适度，设备是否透气、不漏光、足够轻盈等。目前消费级的VR产品在这方面仍处于初级阶段，如何让人更舒适持久地使用VR设备，是行业发展的瓶颈之 一。系统架构师

与成熟的智能手机、智能手表的开发系统不同，VR的系统架构到目前为止并没有行业标准，面对陌生的领域，系统架构师需要驾驭和设计整个系统，负责VR头部显示器及整个主机设备的集成。

BVR产业链上的工作还有这些

要实现VR体验，只有一部VR硬件设备可不够，可以观看的内容、节目效果，以及应用场景的开发，这些需要硬件公司以外的公司参与，Facebook等公司涉及的主要是这部分内容。

3D引擎开发和3D美术

3D引擎开发人员主要负责VR场景的搭建―戴上VR眼镜后你看到的“新世界”，就是所谓的VR场景。市场上主流的开发引擎有两种，一种是可以快速开发的Unity3D引擎，一种是可以制作恢弘场景和细致光效的虚幻4引擎，这种引擎在游戏开发中常使用。

3D美术人员则需要制作3D美术素材，将素材置入场景后，再配合引擎程序员优化游戏的性能。

内容制作

你知道，无论电影还是游戏，当你想要通过VR眼镜获得这些娱乐的时候，它们除了像一般的电影和游戏产品那样需要脚本，还需要影视制作人员使用360度全景视频的拍摄技术去拍摄和剪辑，这是二者在内容制作方法上的不同之处。

销售运营、产品经理

不同于刚起步的人工智能，VR已经迈入产业化阶段，公司除了需要尖端技术人员，对市场销售、平台运营方面的人才同样有需求。要求与其他领域大同小异，都是负责开拓市场和客户，增加产品的销售范围等。因VR企业希望快速打开市场，销售人才目前高居中国VR领域人才需求的第二位，高于全球水平。

产品经理的职责也很共通，负责其他VR公司与本公司部门的配合，制定和推进合作项目，把控整体合作项目的时间，并对最终合作质量负责。

常规开发

和任何智能硬件一样，VR也需要内置一套系统，其中包括App Store一样的平台以及应用软件，这部分工作与传统互联网、手机行业的开发工作相似，即在实现VR设备的智能化的同时，保证软件在不同平台间能流畅交互。

C要进入这个行业，需要你有这些能力和资历

技术岗位硕博优先

VR行业的岗位主要指向三个方面：硬件、软件和内容制作。

硬件领域涉及到计算机、光学、电子、机械、生物学、自动化等方向。软件需要计算机图形学、程序设计、数据结构、操作系统、算法设计与分析等相关背景。这两个方面对工科背景的人才需求更大。VR内容包括游戏、影视等，需要3D美术、拍摄方面的学术背景。

由于VR产业相对细分，产业上游硬件、软件开发的岗位会以硕士、博士学历优先，因为硕士和博士在学术领域的研究方向更为明确，企业在筛选简历时更容易适配岗位。

“如果毕业论文方向是图形图像、计算机视觉，就会非常抢手，不仅是VR行业，在人工智能领域也会受到欢迎。”科锐国际高科技行业总监田丹说。

VR行业的核心技术岗位中，招人要求最高的是算法工程师，这也是最难招聘的岗位。学历必须是硕士以上，同时是模式识别、信号处理等科班出身。另外，对深度学习和机器学习有了解是加分项。

至于市场销售、平台运营甚至内容领域的人才，这个行业对学历背景要求不高，更看中经验、人脉以及办事的灵活度。毕竟，新兴行业最需要资源嫁接能力。

应届生也有机会，尤其是海归

打开招聘网站，VR技术岗位的招聘一般以最少一年工作经验起步，往上的话，有的职位要求3到5年的工作经验，有的甚至要求10年以上的经验。这个门槛主要是因为VR技术虽然还不怎么成熟，但它是高集成性产品，需要在算法、架构、光学和人体工学等成熟技能的基础上再提出应用上的高要求。

但应届毕业生并非完全没有机会。对国内的VR公司来说，开放应届毕业生招募主要有两种情况。一是已经在行业里挖到技术领域的大牛，需要为其配备团队，因此会招聘一定比例的应届毕业生。二是产品经理这类岗位入门门槛不高，公司也愿意花时间培养。

相较而言，海归会比较受到这个行业的欢迎。微鲸VR人力资源总监Tony在为3D场景交互岗位招聘时发现，国内很少有这方面的专业人才，但德国的3D场景交互领域向硅谷输送了不少人。他后来意识到，这是因为德国的高校有对口专业，所以即使是刚毕业的应届生，Tony也会第一时间把对方请到公司来。

再说到内容领域，VR内容领域要制作哪些内容并没有明确标准。毕竟，还没有人敢下结论说：VR只能用来做什么、不能做什么。这个行业眼下正是需要创意和研究拍摄方式的时候。

D这些领域，跨行到VR更容易

游戏

游戏是VR最早被应用的场景之一。虽然VR游戏一度遇冷，但从长远角度看，从游戏行业跳到VR行业尝试新的游戏形态未尝不可。擅长技术的话，可以继续走Unity3D开发、3D建模和3D美术的路。即使有大量游戏公司仍在观望，但VR游戏带来的体验感确实是电脑、手机无法取代的。这也是HTC Vive、PS VR、Oculus等公司目前大量需求的产品。

互联网和半导体

互联网和半导体是VR行业人才来源的两大核心区域。VR行业缺少的系统架构人才在微软、IBM、AMD、英特尔或者高通都能找到。

工业设计

截至目前，用户对于VR硬件设施的体验普遍是抱怨“长久佩戴时头显过重，舒适感不够”。这就需要人体工程学领域的人才来改进产品，他们一般会从设计领域找人，尤其是工业设计。

影视

影视行业从业者主动跳到VR行业的比例相对更高。“他们对整个行业的理解和感知更多，当他们意识到有新的拍摄方式可以尝试，主动投身的人就会更多。”Tony说。他以微鲸一位制片人为例，对方在电视台累积了多年经验，有自己的工作室，同时还在高校任教，最终选择进入VR领域就是想尝试不一样的东西。

E哪些公司在寻找人才？

初创公司

新技术面前，全球企业处于同一起跑线。以技术为核心的初创公司为了站稳脚跟，同样在该领域争夺人才。暴风魔镜、蚁视、大朋、微鲸等国内VR厂商熬过资本严冬，对招聘也有了更高需求。“初级岗位不难招，要招就招核心算法，特别是如果我们想超越海外同行，招人就更重要。”大朋VR合伙人兼首席战略官章立说。

大公司

虽然无论是Facebook，还是HTC、索尼，都没有将技术研发落地中国，但巨头们为了造势，频频联合产业链上下游合作，发起各类联盟，为开发者提供诸多便利，这从另一个角度为从业者带来了更多机会。

Fa c e b o o k今年4月宣布建立首个增强现实（Augmented Reality，AR）平台，同时VR社交平台Facebook Spaces的Beta版；微软于5月10日宣布将开放Windows Mixed Reality开发者套件预购。5月18日，Google也宣布要在今年年底推出Daydream VR一体机，其首批合作伙伴是HTC和联想。

还有苹果，在6月6日的WWDC大会上，苹果宣布Mac将支持HTC Vive，开发者可在MacBook上使用SteamVR平台。同时，AR方面推出开发套件ARKit。

从这些大公司的策略中也能看出，VR已经不仅是它们手中的一张牌，混合现实（Mixed Reality，MR）、AR以及人工智能日后都将联合起来。

F这行的薪水到底怎么样？

去年5月，拉勾网了一份《VR/AR行业薪酬报告》，报告显示，技术职位在过去几年始终是核心诉求职位，即使岗位需求在2016年有所下降，也在总体岗位中占比50.5%。同时，市场方面的人才需求明显提高，2016年占比12.3%，两年间增长了一倍。

根据报告，在VR行业，无论是技术、产品还是市场、运营等岗位，薪酬水平皆高于互联网领域。去年5月，全行业技术岗位月平均薪资为1.35万元，而VR/AR行业技术岗位的月平均薪资达到了1.85万元。即使是最弱势的职能部门，薪资也高于行业平均值7100元，达到8300元/月。

Tony证实了这一现象。物以稀为贵，VR行业里技术岗薪水最高，而在技术岗里，算法工程师的薪酬排名第一。算法工程师如具备硕博学历，年薪一般在30万元至60万元，3D引擎开发人才的年薪也在30万元至40万元。这还不包括公司为留住人才发放的期权和奖金。非技术职位的薪水也会比原行业略高，但总体上相差不大。

科锐国际在《2017年薪酬指南》中也指出，在新技术领域里，计算机视觉、深度学习方向薪酬涨幅最快。人才储备主要在几家跨国公司和顶级高校，VR行业的人才薪酬已经在高点，人才流动的吸引力更多来自职位前景。不过若遇到急缺位，跳槽涨幅可能高达50%以上甚至100%，比如算法类的岗位就是如此。

G进这行前，你得有点心理准备

如果你有兴趣进入这个新兴行业试一试，章立和Tony提醒你：

篇4

关键词：瑞雷波频散曲线；正演计算；正演参数

1 概述

面波，在地球物理勘探中我们通常称之为地滚波，反射波记录下来的大多数都是瑞雷波[1]。瑞雷波在多层介质中所产生的相速度随频率变化的现象被称为瑞雷波的频散[2]。而频散曲线正是瑞雷波勘探获得的直接成果。瑞雷波勘探技术作为一种新兴的地球物理勘探方法，以其特有的优势被广泛应用于工程地质勘察、复合地基检测等领域。但是在实际应用过程中也暴露了许多问题，这些问题主要体现在如下几个方面：①瑞雷波的反演方法较多，但是这些方法均建立在一维模型基础上，与被探测的三维目标体存在较大的差异。因此如何实现瑞雷波的二维反演甚至是三维全空间反演是目前瑞雷波研究的重点内容。②目前的面波数据处理采用的是基阶面波，而高阶面波的应用将会大大改善目前的勘探精度和勘探效果。因此如何提取高阶面波，以提高勘探精度特别是软弱夹层的勘探能力，是摆在面波数据处理方面的一个难题。③瑞雷波解释成果存在较大的多解性，特别是解释结果随着道间距、偏移距以及采集通道数出现较大的差别，这也是目前瑞雷波勘探所面临的迫切需要解决的技术问题。

针对上述问题，本论文利用瑞雷波正演计算程序，采用数值模拟的方法研究层状分布的岩土体的纵波速度对岩土体中瑞雷波频散曲线的影响规律。为进一步优化瑞雷波正演算法提供基础资料。

2 基本原理

Knopoff快速计算法计算的是角速度为ω，相速度为VR的地震波在几个水平、均匀介质组成的层状空间中的传播问题[3]。我们知道应力与位移的关系式为：

δm=ρm（γm-1）cosPmAm-iρm（γm-1）

sinPmβm+ρmγmγβmcosQmCm-iρmγβmsinQmDm

τm=iρmγmγαmsinPmAm-ρmγmγαmcosPmBm-iρm（γm-1）sinQmCm+ρm（γm-1）cosQmDm（1）

对于自由表面，我们仅考虑地表面应力不存在时的情况，则上式中的δ0=τ0=0，又有z=z0=0，所以P0=Q0=0，那么化简上式可以得到：

-ρ（γ1-1）A0-ρ1γ1γβ1C0=0 ρ1γ1γα1B0-ρ1（γ1-1）D0=0（2）

上式（2）提供了内部任意界面在m层中的边界条件。因为在第m层界面处有位移及应力连续条件，所以我们将（1）式与（2）式联立得到一个齐次方程，其形式为：Λ（m）V（m）=0。对该方程进行一系列理论推导与求解，最后我们可以得到频散函数：

F=（ω，VR）=[U（n-1），iV（n-1），W（n-1），R（n-1），iS（n-1），-U（n-1）]Tn （3）

Knopff快速计算法计算频散函数的关键部分是不断由层参数去递推新的矩阵元素，根据m的矩阵元素推出m+1层的矩阵元素直到频散函数计算到n-1层为止。

3 数值模拟研究

本论文利用基于Knopoff快速计算法的瑞雷波正演计算软件，模拟过程中采用三层地质模型，通过对比分析研究岩土层纵波速度和横波速度对频散曲线的影响规律。对于纵波速度的影响，我们分层进行讨论。岩土体模型的参数设置如表1所示。

在以上参数设定基础上，保持第二、第三层参数不变，将第一层纵波速度VP1依次设为330m/s、250m/s、200m/s、167m/s和143m/s，这样保证每次输入的岩土体参数代表的岩土体横波速度与纵波速度之比VS / VP依次为0.3、0.4、0.5、0.6和0.7。得到第一层岩土体纵波速度对瑞雷波频散曲线的影响如图1所示。

图1 第一层岩土体纵波速度对瑞雷波频散曲线的影响

从图中可以明显看出，第一层纵波速度从330m/s变化到143m/s，其变化量达到57%，但是正演得到的瑞雷波频散曲线在形态上是基本相同的，瑞雷波速度只是存在一定的变化，最大超过25m/s，其差值百分比达到30%。

第二层岩土体的纵波速度对瑞雷波频散曲线的影响如图2所示。

图2 第二层岩土体纵波速度对瑞雷波频散曲线的影响

从图上可以清楚地看出，第二层岩土体纵波速度值从500m/s变化到214m/s，其变化量达到57%。但是正演得到的瑞雷波频散曲线形态基本上相同，瑞雷波速度只是在低频段出现较大的变化，最大变化量可以达到将近40m/s。

综上所述，岩土体纵波速度对瑞雷波频散曲线的影响较小，但是随着岩土层埋藏深度的增加，其纵波速度对瑞雷波频散曲线的低频段速度值的影响程度逐渐增加。

参考文献：

[1]顾功叙.地球物理勘探基础[M].北京：地质出版社，1990.

[2]Rayleigh L. On Waves Propagated Along the Plane Surfaceof an Elastic Solid[J].Proceedings of the London Math-ematic Society，1887.

篇5

论文摘要:本文分析了虚拟现实技术在建筑领域中的应用．井对相关问题进行了研究，最大限度地实现对建筑设计、施工、装修等的现实可行性与指导性。

“虚拟现实”(简称V R )，是一项综合性计算机图形交互技术，它利用计算机生成一种模拟的实物与环境，通过多种传感器设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境的直接交互。目前，VR技术已经在各个领域被广泛应用，如在建筑设计领域、城市建设领域等等。

一、 计算机技术的引入

计算机技术用于建筑设计领域已有多年，但最早的建筑设计领域是先模仿传统工具的使用方式，表现为简单地模仿传统的图纸、图板、针管笔等的使用方法。例如计算机辅助设计 (CAD)主要是帮助设计者把设计、计算、画图、数据存储和处理等繁重工作交给计算机完成 ，而设计者把主要精力用于创造性构思。计算机可通过图形设备向设计者展示设计结果。之后发展起来的虚拟现实技术 (简称 VR)能创造身临其境的感觉 ，虚拟现实技术是迅速发展的一项综合性计算机图形交互技术。它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络并行处理，利用计算机生成的三维空间图像实现的目标合成技术，通过视、听、触觉，以图表及动画方式呈现，改变了传统的计算机辅助设计被动静态的信息传递方式。目前，虚拟现实技术已经在各个领域被广泛应用，如在建筑设计领域、建筑施工领域、建筑装修领域等等。

二 虚拟现实技术在建筑领域的应用

1．建筑设计领域

在建筑设计中既要进行空 间形象思维，又要考虑到以用户的感受，是一系列的创新过程，包括规划、设计等。建筑物的实际效果受设计者的艺术素养、生活阅历、知识水平、设计水平、设计经验等主观因素的影响和限制，不同的设计者对于同样功能要求的建筑所设计的作品在外观上、环境的协调上可能截然不同。然而，如果应用基于真实感三维图形的虚拟现实技术则可以将设计者心目中的建筑方案以可视、可触、可听的方式展现给专家、用户，使他们能“身临其境”，提出自己宝贵的意见，达到优化设计的目的。同时还能大大减轻设计人员的劳动强度，缩短设计周期，提高设计质量，节省投资。

2．建筑施工领域

虚拟现实技术在建筑施工方面，也大有用武之地，可以进行大量方案的比较和优选。例如进行大型土方工程挖运系统的设计，最优设计是在日挖土量一定的情况下，如何确定挖土机与运土载重汽车的最优匹配，使挖运系统取得最好的整体效益。大型土方工程挖运系统的挖土机与载重汽车的匹配有很多方案，若要把全部方案的效益都计算出来进行比较，几乎是不可能的。对这一类问题采用虚拟现实技术来比较、优选，则很容易实现。再如对于有风险的大型工程项目，投资一旦失败，将会遭到巨大的经济损失。对这一类问题，可以利用虚拟现实仿真技术，进行仿真试验和评估，然后做出决策。同时还可以对不确定因素进行预先模拟。

3．建筑装修领

建筑装修设计是一个复杂的综合过程。在传统的设计过程中，装修设计师根据建筑图纸构造出虚拟的室内模型，并将其设计理念应用于室内模型，最后以多面视图、效果图、家具图、大样 图和结构图等手段表达设计效果。然而，这种离散的平面表现模式使得客户和施工方难以全面地了解装修效果。另外，繁琐的工程量和造价估算过程也使得客户难以准确快速地对装修方案进行评估平选。如果在计算机中输入实际房间的模型，设计者身处所需装饰的房间，按照自己的构思去装饰、修改，并且可以变换 自己在房间中的位置，去观察装饰的效果 ，直到满意为止，一切就将变得简单轻松。可以设想，在未来的装饰工程中虚拟现实技术将会代替现有的实际模型而显示出其强大的生命力。利用虚拟现实技术有效地提高了装修设计的效率，并且能够增强设计师和客户之间的沟通，增加客户对设计方案的满意程度。

三、虚拟现实的动态漫游技术

利用 VR技术在空间数据库的支持下可以构造三维虚拟环境 ，人在进入这一环境后可以和计算机实现以视觉为主体的全方位的动态交互。一个建筑模型进行可视化具有多角度观察、放大、漫游、旋转、任意选定路线的飞行或点面结合行驶效果的动态显示及可视点的判别等功能。虚拟现实建筑设计还可以让人在虚拟的建筑环境甚至城市空间里，以不同的角度去窥视或欣赏其外部空间和内部空间的动感形象和平面布局特点。它所产生的融合性，要比模型或效果图更形象、完整和生动。

视景仿真和动态漫游技术，同时也是进行方案审察和评估的重要手段。利用VR技术在设计工程中可实时动态展示设计方案，可实时审视检查规划设计方案，及时发现问题，及时修改方案和细节。

篇6

【关键字】增强现实技，虚拟现实，ARToolKit，碰撞检测，算法相交测试，虚实碰撞

绪论：增强现实技术（Augmented Reality，以下简称 AR）是随着虚拟现实（Virtualreality，以下简称 VR）技术发展起来的一种新技术。碰撞检测算法作为虚拟现实（Virtual Reality，VR）领域中的一个重要组成部分，其主要作用是判断虚拟空间中的两个物体是否共享了部分空间。

通过对 VR 进行建模，构成虚拟景物，并融入真实场景或物体，从而呈现给用户一个虚拟对象与真实环境融为一体的增强现实环境，扩展了虚拟现实应用。虽然目前 AR 技术已应用到娱乐、训练、医疗和教育等各个方面，但目前 AR的进一步应用还是受到虚实交互相关的关键技术研究的限制。虚实交互技术指的是在 AR应用中，虚拟物体与真实场景、物体或交互工具间的交互技术。

碰撞检测算法作为虚拟现实（Virtual Reality，VR）领域中的一个重要组成部分，其主要作用是判断虚拟空间中的两个物体是否共享了部分空间。随着 VR 及其子领域增强现实（Augmented Reality，AR）的快速发展，人们对虚拟场景的真实感要求越来越高，能够满足实时性和精确性的快速碰撞检测算法成为了研究热点，其中基于包围盒的碰撞检测算法尤为受到关注。在 AR 中，由于虚拟场景混合在真实世界中，更需要实时的碰撞检测以保证逼真效果。本文对基于包围盒的碰撞检测算法做了深入研究，提出了一种改进的高效算法;基于本文提出的高效碰撞检测算法实现了若干具有交互性的增强现实应用。

（1）综合分析了各种包围盒的特点，特别是 Sphere 包围盒和 OBB 包围盒的构造过程;深入研究了 Sphere 和 OBB 结合形成的混合包围盒层次结构，以及基于这种混合结构的刚体间的碰撞检测算法。

（2）分析和研究了增强现实开发包 ARToolKit，利用本文提出的高效碰撞检测算法在 ARToolKit 中设计并实现了一种简单的交互功能;结合开源的物理引擎 ODE 和本文提出的碰撞检测算法，基于 ARtoolKit 开发包设计并实现了高尔夫球运动中的推杆过程的具有交互性效果的增强现实模拟应用，程序运行结果显示，增强现实效果明显，交互性比较强，这些应用显示了算法的稳定性和可用性，并展现了增强现实的应用前景和吸引力。

（3）提出利用 AIS 算法检测 AR 应用中是否有虚拟与实际物体在交互过程发生碰撞;提出了 AR 碰撞后虚拟物体响应变形的体素 CA 变形模型（VoxelDeformation Cellular Automata， 以下简称 VDCA）。AR 碰撞检测技术包括在 AR应用中检测虚实碰撞事件的发生并在碰撞发生后进行快速碰撞响应。无论是检测碰撞的发生还是对于碰撞的响应，都要求实时处理，对于碰撞响应，更要求有较快的实时渲染算法。由于 AIS 算法具有分类精确，对于原始数据维数与其它要求不敏感等特点，因此，本文对于碰撞检测中的快速高维数据处理的难题，创新地引入了启发式的算法 AIS，建立调整相关 AIS CD 的实时处理模型，很好地解决了AR 应用中虚拟与实际物体交互中的碰撞检测发生的检测问题，并进行了仿真分析。

二、碰撞检测及算法

碰撞检测是用于判断若干物体在某一时刻是否占有相同区域的技术，它在CAD/CAM、计算机图形学、3D 游戏、机器人、虚拟现实和计算机仿真等领域中都非常重要。譬如，在增强现实系统中，由于虚拟场景和真实世界混合在一起，为了避免用户产生视觉错乱，碰撞检测技术就必不可少。由于其重要性，在数十年的碰撞检测算法研究过程中，人们提出了非常多的方法。当前，研究最多、最优秀的显然是包围盒分层结构法。

在基于包围盒的碰撞检测算法中，RAPID非常重要，该算法的提出者创新地提出并优化了用于 OBB 相交测试的分离轴测试法，简化了 OBB 包围盒的简单性，从而可以利用 OBB 的紧密性构建出实用的 OBB 层次包围盒树和相应的碰撞检测算法，并吸引更多研究者加入基于 OBB 的碰撞检测算法研究当中，这其中包括 SAT lite 算法和 Dual算法的作者们。其中，Dual 算法的提出比较晚，其文献于 2010 年发表在 Computer-Aided Design 学报上，因此本章提出的改进算法主要与 RAPID 和 Dual算法做性能比较。

包围盒的主要类型有球包围盒（Sphere）、轴对齐包围盒（AABB）、方向包围盒（OBB）、离散方向多面体（k-dops）和固定方向凸包（FDH）。球包围盒和轴对齐包围盒的简单性好，与之相反，方向包围盒和固定方向凸包简单性差但紧密性好。离散方向多面比较特殊，它的这两个特性有一定的折衷。目前，开始有一些研究采用混合包围盒来同时获得好的紧密性和简单性，如 J.W. Chang 等人提出的 Dual 算法。

与 Dual 算法类似，本文算法基于 Sphere-OBB 混合结构并致力于降低 RAPID算法的 Cv，也就是改善 OBB 的简单性。但本文算法相比 Dual 算法，其 Nv增加（与RAPID 相比）的更少，Cv也降低了更多。本章算法的切入点是 Dual 算法失灵的地方，即 OBB 各个边长一样长以及长短差别不大的情形。在这种情况下，Dual 算法的 OBB相交测试的精确性下降较大甚至很低。而本文的算法根据两 OBB 的相对方向信息，在很大概率上推导出能分离 OBB 的分离轴，从而解决 Dual 算法的缺陷，特别是对于OBB 各边长度差别不大的情形。

尽管越来越多的文献在致力于各种更实用的碰撞检测算的研究，例如多核并行环境下的、基于 GPU的以及物体可变形的等等，但是研究刚体间的纯粹的碰撞检测算法仍有价值，因为很多其他各种形式的碰撞检测算法本质上仍基于这些基本的算法。

三、 基于包围盒的碰撞检测算法研究现状

层次包围盒树（Bounding Volume Hierarchy）技术的主要思想是利用一个简单的几3何体将比较复杂的虚拟物体包围住，并分层次从整体到局部建立包围盒的树状结构;当检测两个已建立层次包围盒树的物体是否碰撞时，首先检查两个物体的顶层包围盒是否相交，若不相交，则判定两个物体未碰撞，否则再对次级包围盒进行相交测试，直到叶子节点，即最底层的包围盒所包围的构成物体的基本几何元素。因为包围盒之间的相交测试相对比较简单，且不相交的包围盒，其较低层次的包围盒之间以及对应的基本几何元素之间肯定不相交，所以这种方法可以快速排除很多不需要检测的基本几何元素，从而大大加快碰撞检测的速度。基于层次包围盒结构的碰撞检测算法的时间复杂度可以由概括性的公式（1.1）来表示：

T= Nv × Cv + Np × Cp （1.1）

式中各个参数的含义如下：

T：算法执行的总时间，Nv：包围盒相交检测总对数，Cv：包围盒相交检测平均花费的时间，Np：组成虚拟物体的基本图元的相交检测总对数，Cp：图元对相交检测平均花费的时间。Nv 和 Np与包围盒的紧密性（tightness）相关，而 Cv与包围盒的简单性（simplicity）相关。因此，算法的时间复杂度与建立层次树所使用的包围盒的紧密性和简单性有很大关系。包围盒的主要类型有包围球（Sphere）、轴向包围盒（Aligned Axis Bounding Box，AABB）、方向包围盒（Oriented Bounding Box，OBB）、k-dops（Discrete OrientationPolytopes）包围盒和固定方向凸包（Fixed Direction Hull，FDH）等。

其中，Sphere和 AABB的简单性相对较好，但是紧密性比较差;与之相反，OBB和 FDH的简单性比较差但紧密性好。k-dops则比较特殊，它的这两个特性的好坏取决于 k 的取值，是有弹性变化的，一般来说 k 越大，紧密性越好，复杂性也越高，选择合适的k 值才能实现较好的综合性能。各种包围盒均有一定的优势和缺点，都不能适用于所有场合，因此有必要结合多种包围盒的优点来构建混合层次包围盒树，以进一步提高碰撞检测算法的速度。由于物体旋转时 Sphere 包围盒不需要更新，因此这也是它的一个优势之一;OBB 包围盒紧密性比较好，降低它的相交测试复杂性可以成为一个研究方向。

近年来出现了将 Sphere 和 OBB 相结合的做法，可以同时利用 Sphere 的简单性和 OBB 的紧密性以获得更好的综合性能，如：Jung-Woo Chang提出的 Dual 算法同时利用了 Sphere 和 OBB。本文的改进算法亦基于此，并致力于简化 OBB 相交测试。Gottschalk S最先在 RAPID 算法中提出了基于分离轴测试的 OBB 相交测算法，极大地增加了基于 OBB 的碰撞检测算法的适用范围。Van Den Bergen和 Jung-Woo Chang等人分别提出了针对分离轴测试的改进算法，其核心是相比 RAPID 算法，牺牲 OBB 相交测试结果的精确性，换取测试过程的简单性。

Van Den Bergen 提出的算法称为 SAT lite，其算法在进行 OBB 相交测试时仅仅在6 个方向向量上进行分离轴测试，其算法速度比 RAPID 算法有所提高。Jung-Woo Chang 提出的 Dual 算法利用了 Sphere-OBB 混合结构，在 OBB 相交测试中，只使用长度较短的 5 个轴进行分离轴测试。Dual 算法与 SAT lite 相比，其 Cv有所增加，而 Nv有所减少，总体性能高于 RAPID 和 SAT lite 算法。

静态碰撞检测是指某一时刻针对物体进行的一次碰撞检测，在一个动态虚拟环境中，一般隔一定的时间段进行一次静态碰撞检测，这称为离散碰撞检测算法。离散碰撞检测算法存在漏检和穿刺等问题，需要通过一些优化方法来消除或降低这些问题所产生的影响，如自适应步长法、回退法等。连续碰撞检测算法可以更好地解决这些问题，但是这类算法的计算速度比较慢，特别是在大规模虚拟场景中很难实现实时的碰撞检测;因此，虽然离散碰撞检测算法存在一些缺陷，但由于其速度较快，能够实现较好的实时性需求，目前仍是碰撞检测研究领域的热点。而离散碰撞检测算法是基于静态碰撞检测的，因此提高刚体间的静态碰撞检测速度仍非常有价值。

四、利用增强现实展现碰撞检测算法的测试过程

非一个增强现实应用，只是利用增强现实的与真实世界融为一体的特殊效果来展现碰撞检测算法性能的测试过程。传统的碰撞检测算法的测试，如第三章所叙述的，在测试过程中，只能看到很多数字，即便用图形系统渲染出来，也只能在屏幕上看到平面效果，而且无法随意地切换角度观察物体的距离和相互之间的方位。本节使用增强现实开发包 ARToolKit 将用于测试碰撞检测算法性能的两个虚拟物体注册到标识物上，而测试用的位姿数据则先于注册位姿矩阵 M 与虚拟物体作用，在 OpenGL 渲染系统中，即先将测试用位姿矩阵压入模型视图矩阵堆栈，再将注册位姿矩阵 M 压入模型视图矩阵堆栈。这涉及到 ARToolKit 与 Benchmark 程序的结合 过程：

首先Benchmark 程序从文件中获取物体的三角面片信息和测试用的位姿数据，并更新物体的状态;然后，ARToolKit 从 Benchmark 中获取物体的信息，并使用位姿信息进行渲染; Benchmark 将物体之间是否发生碰撞和使用被测试的碰撞检测算法测试当前状态的物体所花费的时间以及其他数据发送给 ARToolKit;最后：ARToolKit 将测试结果信息显示出来。

参考文献：

[1]王. 虚拟现实中碰撞检测关键技术研究[博士学位论文]. 长春： 吉林大学，2006： 1-2

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关键词：虚拟现实；多媒体技术；结合；建筑景观设计

21世纪计算机技术高速发展，在各个领域均有应用。计算机技术越来越先进，带来更多的视觉感官体验[1-2]。计算机的三大网络通信分别是多媒体技术、网络技术以及虚拟现实技术（简称VR）。而现代虚拟现实的运用，可给人们带来丰富的体验，各行业内的发展可能都与该技术相关，现代多媒体技术与虚拟现实的结合也越来越密切。虚拟现实技术对建筑景观设计起了促进的作用。

1虚拟现实的发展与现状

1.1虚拟现实

虚拟现实技术兴起于20世纪，结合了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、数字图像处理等多个信息分支的成果，是一门较为综合的科学计算信息技术。虚拟现实技术是指存在与计算机之中，虚拟的空间，但这个虚拟的空间利用了计算机技术创造了一个集视听、触觉于一体的空间虚拟环境，即虚拟的现实空间。该技术的主要功能是通过某种联系，使人与该种虚拟的环境中游历，通过机器与人的联系，实现人在虚拟的环境中达到最真实的感受[3]，与该虚拟环境进行交流。虚拟现实技术是通过计算机设计生成仿真三维空间以及视、听、嗅等感官，用户借助机器，实现在真实的自然环境中的体验。当使用者移动时，计算机会进行复杂的运算，准确的传回3D世界影像，从而产生临场感。该技术旨在使人体验设想的环境，广泛应用于各大设计以及娱乐行业。

1.2景观设计中的虚拟技术

以往的景观设计通过手绘图纸实现预览，但在施工完成后，建筑物还是会存在用户不满意的地方。因此将景观设计与虚拟现实结合起来是非常有必要的。虚拟现实与景观设计的结合经历了漫长的时间，技术研发人员从最初的图形处理技术到设计专业建筑行业软件，类似于3Dmax等软件的开发和完善，使得三维的空间立体图像越来越真实，效果可以与真实的物体相比较。通过计算机的计算，给人视觉、听觉、嗅觉等感官真实的体验，可以在施工前根据用户的需求修改，对于建筑行业的发展十分有益。

1.3虚拟现实的发展情况

虚拟技术正处于高速发展的时候，各个国家均致力于它的研发与完善，并且认识到该技术的广阔发展空间，可以应用到各个领域。在虚拟现实技术方面的起步较晚，直到90年代产生了一批优秀的艺术家和艺术作品之后，数字媒体技术才在艺术领域展开应用，随后普及。建筑效果图、动画、电影、游戏等均开始使用数字媒体技术，后期更是将虚拟现实技术结合起来，给用户最佳的体验。

2VR技术的优势

2.1沉浸式—创造全新视野

沉浸是指利用虚拟现实技术将用户从以往的观测者转变为参与者，通过与仪器的联系，置身于虚拟现实的环境之中，体验计算机提供的虚拟现实空间，用户能够全身心的投入其中，并且有感官的体验，产生身临其境的感觉[4]。虚拟现实技术不仅能够给用户带来真实的体验，也改变了设计师传统的设计方式，增加了设计师的空间维度。设计师不再局限于传统的二维平面，而是利用软件设计真实的三维场景。设计师可以从任意的角度来观测自己设计的作品，这使得原来的设计师的工作难度降低。并且通过全方位的视觉体验，设计师可以轻易地发现自己的设计错误并改正。虚拟现实可以增加团队的合作，同步的完成设计，通过共同工作塑造一个建筑空间，避免团队工作的重复性，提高整体的工作效率。除此之外还可以实现设计者与用户的互动，使得设计更加的完整。

2.2交互性—形成动态体验

交互是指参与者可以操作虚拟环境中的物体，还可以从环境中获得反馈的信息，使得机器能够满足人类的要求，实现更高潜能的发展。虚拟现实可以帮助设计师在虚拟环境整改和完善其作品，建筑景观设计师，可以借助SketchUp或AutoCAD等软件就能使用虚拟现实系统。在虚拟现实的环境中得到最真实的体验，使得设计者能够在设计的过程中及时改正错误的部分和设计的瑕疵。目前虚拟现实的发展较好，从三维到现在的结合感官，建筑师可通过该技术与其作品“对话”，还可有效的保证设计师思维的连续性，有效地提高了设计的整体效率。

3VR技术对于建筑景观设计的意义

在建筑行业中，三维绘图早已应用在建筑行业中，然而三维绘图仅能给人静态的视觉体验，不能实现动态的交互体验[5]。虚拟现实有效的改变了这一点，不仅实现三维画面，还有感官体验，借助仪器数字化的人机接口。通过计算机复杂的计算，将自己置身于设计的景观之中，到达最真实的体验。在建筑智能景观的设计规划中，利用虚拟现实的技术建立一个虚拟的真实环境，可以确保该设计的全方位的规范性。虚拟现实技术在未来必将大范围的应用于建筑景观设计的行业。目前世界的整体信息化水平不断提高和发展，建筑经景观设计师摒弃传统的设计方式，转而使用虚拟技术的方法。建立一个更新的思维方式和设计方法，培养更好的设计习惯，让设计师发挥更大的想象力，摆脱掉原有的设计障碍，以更开阔的视野设计更优秀的作品，利用虚拟现实的技术，使的建筑景观设计更全面。在建筑景观设计规划的过程中，利用虚拟现实技术，采用科学的预测和分析的手段，以及参与社会大众参与评选的手段，可以全面的确保整个设计的合理性、规范性、大众喜爱度等，具有较高的意义。

4结束语

虚拟现实的优势在于实现沉浸交互的设计体验，而这种体验可以帮助设计师完成更好的设计作品，使得设计变得有趣、生动、简单，对复杂的建筑物更是起了巨大的帮助作用。在进行建筑景观设计时，虚拟现实有着很大的优势，解决传统设计不能解决的问题。目前虚拟现实技术已经蔓延到各行各业中，建筑师可以借助虚拟现实技术进行建筑的设计。未来这项技术还会不断发展，研发出更优秀的软件，应用到建筑景观设计中。

作者:周文哲 单位:深圳市朗程师地域规划设计有限公司

参考文献：

[1]钱婧.虚拟现实技术对建筑景观设计的时空重构[D].浙江师范大学,2012.

[2]黄智冠.多媒体介入当代景观的研究[D].华南理工大学,2010.

[3]刘艺.虚拟现实技术对于建筑景观设计应用[J].艺术科技,2015,(3):178.

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关键词：互联网电视;承载网络

中图分类号：TP393.01文献标识码：A文章编号：16727800（2011）012012002

作者简介：郑毛祥(1964-)，男，湖北天门人，硕士，武汉铁路职业技术学院副教授，研究方向为计算机通信；苏雪（1972-），女，甘肃武威人，硕士，武汉铁路职业技术学院讲师，研究方向为计算机网络。

0引言

IPTV是承载于 IP 网络的一种电信级业务，按各功能操作特点，可以分成4类业务：流媒体类、通信类、游戏类和信息服务类。流媒体类包括音视频点播和音视频直播。通信类业务包括视频通信和短信。游戏类业务包括单机游戏和联网游戏。信息服务类业务是通过 STB 对信息进行浏览，提供Web 和视音频等多种方式。流媒体类业务对带宽需求较高，通信类业务对实时性要求很高。下文分析和探讨了IPTV业务承载网络解决方案和演进发展要求。

1IPTV业务承载网络结构及组成

IPTV业务系统及其承载结构如图1所示。IPTV业务承载网包括宽带接入网、城域骨干网和骨干承载网三个层面。宽带接入网部分完成用户机顶盒到IPTV业务接入控制点之间的直播/组播业务流的承载；城域骨干网完成省中心到区域中心或业务接入控制点之间的直播/组播业务流的承载，以及区域中心到业务接入控制点之间的直播/组播业务流的承载。

当前，在骨干承载，IPTV业务与互联网业务是分离承载的。在城域骨干，既有集中也有分离的组网方案。在宽带接入，是融合承载互联网业务和IPTV专有业务的。

2主要业务承载实现方案

2.1直播业务

2.1.1骨干网

全国性的电视广播节目从内容运营中心传输到省业务运营中心时其流量及流向是确定的，所以在骨干网可通过多种方式承载电视广播节目，包括应用层广播内容传输、CDN系统应用层组播、骨干网动态组播方案。

图1IPTV业务承载网体系结构

（1）应用层广播内容传输方案：利用传输线路（MSTP/RPR/裸光纤/SDH等）推送到省份中心节点。

（2）CDN系统应用层组播方案：通过CN2高性能网络承载；使用Splitter方式旁路CacheServer，提高IPTV业务流承载质量。

（3）CN2骨干网动态组播方案：如图2所示，在CN2骨干网内启用动态组播路由协议。CN2骨干网络采用PIMSM协议，并通过MBGP和MSDP支持跨域组播。

2.1.2城域骨干网

为进一步完成视频直播业务的推送，将IPTV业务直播内容从省IPTV直播中心送抵城域骨干网业务控制层（BRAS/SR），一般建议采用以下两种方式：①利用传输线路（MSTP/RPR/裸光纤/SDH等）推送到BRAS/SR；②利用单播推送到区域中心，再利用城域组播推送到BRAS/SR。

通过城域网组播承载时，有两种实现方式：

一种方式是通过各级设备启用PIM等动态组播路由协议，建立组播源到业务控制点间的组播树。在城域网汇聚/骨干层设备间启用PIMSM或PIMDM动态路由协议；在业务渗透率不高时可能引起组播树的频繁重建，产生较大延迟。适合IPTV大规模开展之后。

另外一种方式是通过静态组播配置，在城域网范围内实现组播数据的透明通道，将送抵城域骨干网边缘节点的IPTV业务内容按照静态配置的组播树路径送抵宽带接入网的业务控制点。业务接入控制点静态加入组播组，汇聚层核心启用组播路由协议建立组播共享树，避免组播路径中的单点设备故障。（适合于IPTV业务开展初期）。

现网中多采用的是静态组播配置的城域网组播方案来实现直播业务流向业务接入控制点的推送。

2.1.3宽带接入网

承载IPTV直播业务的宽带接入网实施方案有两种方式：一种是BRAS作为业务接入网关方式（单边缘），一种是SR作为业务接入网关方式（多边缘）。其中BRAS接入网关方式又按组播复制点的不同分为两类。具体方案如下：

（1）BRAS接入网关方式。BRAS作为组播复制点方案：

该方案是IPTV业务部署初期选择的方案。

图2IPTV骨干层动态组图3BRAS组播复制

播承载方案业务提供方案

ADSL Modem使用单PVC上联到DSLAM设备，该PVC可同时承载用户的IPTV业务和宽带上网业务。原有的宽带上网业务与IPTV业务的分离在BRAS上实现。BRAS采用虚拟路由器（VR）的方式，不同的VR为不同的业务提供接入，实现逻辑上的业务分离，并通过各自所属的Uplink端口（或逻辑子端口）分别上联到城域网核心层。IPTV用户和宽带用户均采用PPPoE的认证方式，使用不同的PPPoE帐号后缀。BRAS根据用户帐号的后缀不同，把IPTV用户终结在专用的VR上。实现两种业务流逻辑分开，便于管理、分析、统计和QoS的实施。

OLT/DSLAM作为组播复制点方案：

随着IPTV用户群不断增大，BRAS复制点将成为流量瓶颈。有效的解决办法是组播复制点下降到DSLAM层面。

图4OLT/DSLAM组播复制图5双PVC DSLAM组播复

业务提供方案制业务提供方案

STB采用DHCP认证方式（IPoE），BRAS作为DHCP服务器。BRAS需要完善AAA功能。直播数据流从专门的组播VLAN下发到DSLAM/OLT设备。DSLAM/OLT设备要求能实现跨VLAN组播，即VLAN1000（组播VLAN）的组播数据能送到跟CVLAN100（点播VLAN）成映射关系的PVC/LAN端口上。

（2）SR接入网关方式。如果BRAS在承担了原来宽带业务的前提下，在性能、带宽冗余、QoS能力、组播支持等方面未能满足IPTV业务的需求，建议IPTV业务接入到专有SR，同时直接过渡到远期方案，用DSLAM做复制。

ADSL Modem使用双PVC上联，一条PVC承载原有的宽带上网业务，另一条PVC承载IPTV业务。IP DSLAM把从用户侧上来的两个PVC逻辑链路分别映射到各自上联的VLAN ID。其中一个VLAN提供宽带上网业务，另外一个VLAN提供IPTV业务。

STB采用DHCP认证方式，SR作为DHCP服务器。SR需要完善AAA功能。

2.2点播业务

点播业务的业务流主要分内容分发流和媒体服务流。内容分发流承载在CN2骨干和城域骨干网上。媒体服务流承载在城域网上。

全国内容运营中心通过CN2骨干网将内容通过存储CDN分发到各省级IPTV业务运营中心。内容的分发一般是在网络相对空载时进行的，对承载网的要求不高。同一般互联网业务对承载的需要一样。内容的分发采用的是单播方式，通过HTTP或RTSP控制分发流程。

省级IPTV业务运营中心通过城域骨干将内容通过CDN分发到城域网CDN区域中心节点。然后通过城域骨干，把内容进一步分发到位于城域网边沿的CDN边缘节点。分发实现方案同上。对承载网的需求和互联网业务一样。

IPTV用户通过宽带接入网接入到BRAS/SR后，就近访问所属范围的CDN边缘节点，获取VoD节目数据。城域网IPTV POP节点至用户STB，用户点播的节目应有80%在IPTV 边缘节点命中，20%在区域中心。点播用户接入方式同BTV。

参考文献：

[1]陈巧熙.IPTV承载网解决技术探讨[J].中国新通信,2006(8).

[2]刘静.组播技术以及在IPTV上的应用[C].2007通信理论与技术新发展――第十二届全国青年通信学术会议论文集（下册）,2007.

[3]喻文学.IPTV承载网相关技术及问题研究[J].通信世界,2005(14).

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根据原国家新闻出版广电总局的年度新闻出版产业分析报告，2016年期刊总印数比前一年降低6.3%，总印张降低9.4%；与2016年相比，2017年期刊出版总印数降低7.6%，总印张降低10.1%；与2017年相比，2018年期刊出版总印数降低8.0%，总印张降低7.3%。反观数字出版，2016年数字出版总收入5720.85亿元，2017年数字出版总收入7071.93亿元，2018年数字出版总收入8330.78亿元。可以预见，随着时间的推移，数字出版在期刊领域也将承担越来越重要的角色。由于数字出版的发展和技术发展密不可分，本文尝试从技术的角度分析数字出版态势，并进一步探讨我国科技期刊的发展态势以及新技术可能为数字出版带来的变化。

一、数字出版领域和新技术领域关键词

在数字出版方面，本文研究了2019年数字出版会议和期刊编辑领域的论文来探讨数字出版领域的关键词。在技术方面，本文通过调研互联网的发展了解了新技术的关键词。1．数字出版领域的关键词。2019年，重要的数字出版会议主办方主要有中国期刊协会和中国新闻出版研究院。会议报告题目关于数字出版的关键词有：数字产业、生态、经济模式、数据、移动、互联网、信息技术、5G、AR+、人工智能/AI/机器人、平台、云计算、新媒体、大数据、创新产品、智慧产品、知识付费、微课程、全媒体、在线、智库、阅读、精准、IP、传播、数字出版、知识服务、融合发展、出版未来、人才等。在期刊调研方面，本文调研了期刊和编辑出版领域的重要期刊——《中国科技期刊研究》《科技与出版》《编辑学报》等，分析了2019年刊发的文章。这些文章涉及数字出版领域的关键词主要有：媒体融合、5G、AR、移动出版、xml/html、共媒体云和自媒体库、人工智能、平台、产品、APP、在线、新媒体、区块链、知识图谱、知识服务、社区服务、精准推送、全媒体、智慧媒体、数字出版、造船、有声阅读、赋能、书刊互动、转型、智库、知识付费、编辑出版工具等。从上述关键词我们可以分析出，在数字出版方面，期刊和技术方分别都在哪些方面开展了工作，期刊在数字出版方面的融合可以从哪些方面突破。图1是从2019年度相关会议和期刊论文调研得出的与数字出版相关的关键词。从中可以看出，数字出版会议和相关报告更多地从技术层面出发，考虑技术、产品和运营。数字出版相关论文更多地从编辑出版角度进行分析，涉及期刊出版各环节。关键词方面两者有所重叠，也有所不同。例如，数字出版相关论文较少关注5G、产品，更多关注和专业以及学术研究息息相关的数据（尤其是科学数据）、知识服务、编辑业务和人才队伍；而数字出版会议和相关报告则相对较多地关注5G、IP运营等技术或者产品。双方均关注融合发展、数字出版、人工智能、新媒体等。专业技术团队和编辑出版团队已经在一定程度上融合，但是双方的发力点还是有所不同。因此，若要促进科技期刊融合发展，编辑出版方需要更好地表述自己的需求，技术方也需要更深入地做好需求调研，更好地按照期刊的思路研发产品，如此建设的系统和平台才能更好满足期刊出版的需求。上述调研也给数字出版的研究带来启发。一方面，研究数字出版可从期刊编辑工作流程出发，研究各个环节中哪些环节可以利用数字化提高工作效率，或者整个工作流程中有哪些困难需要机器帮助解决；或从现有数字出版的实际态势出发，研究同行在做哪些工作。另一方面，可研究新技术的特点，即研究其可能给数字出版领域带来哪些变化。2．新技术关键词。那么，我们需要关注哪些新技术呢？哪些新技术能代表新一代互联网的发展呢？2019年第六届世界互联网大会在浙江乌镇召开，会议的主题是“智能互联开放合作——携手共建网络空间命运共同体”。会上公布了15项代表性领先的科技成果，它们的主要关键词是人工智能、机器、分布式、共享、智慧、自适应、5G等，这些关键词也说明了新一代互联网技术的重点发展方向，是近几年技术领域的重点。我们可以看出，随着互联网的发展，尤其是和数字出版息息相关的新技术，是5G、大数据、云计算、人工智能、物联网、区块链、虚拟现实技术等。另外，还有和数字出版领域紧密结合的碎片化技术、语义技术、新媒体技术（微信公众号、小程序、短视频等）。下面我们逐一分析这些技术的特点，以便后续进一步探讨它们在数字出版方面的应用。5G是下一代信息社会建设的基础设施，它的特点是高速率、大容量、低延时、低功耗，这些特点使得更多资源可以部署到云上，单位时间可以传输更多的内容或者整合更大量的数据；使得虚拟现实、万物互联等成为可能；也使得智慧城市、智慧社区等得以实现。从期刊出版的角度来说，5G将可能改变知识内容、平台、存储、流通、渠道、服务、消费、终端呈现等的方式，对行业带来深度的变革。大数据技术包括数据分析技术、事件处理技术、数据流通技术。我们可以从数据采集与处理、数据挖掘与分析、数据存储与管理、数据展现与应用方面去思考期刊出版相关数据的采集、处理、重新聚合、呈现形式等，思考大数据技术可能为数字出版带来哪些新的应用。我们可以从分布式存储方面考虑期刊相关数据库的架构、设计以及分布式关系模型；可以从数据流通角度考虑期刊数据传输的质量、安全等；可以从数量巨大、来源分散、格式多样的数据中发现新知识、创造新价值、提升新能力，从而考虑新一代数字出版服务业态。云计算是一种基于互联网的超级计算模式，云计算的计算速度甚至达到每秒10万亿次，可以将繁多的系统以及云资源连接在一起以提供各种服务。云计算的特点是可以有效兼容各种不同种类的硬件和软件，支持资源以及新业务的动态扩展，具有高可扩展性；支持多业务体系按需服务，按需配备计算能力和资源；使用数据多副本容错和计算节点同构可互换等措施来提高可靠性；使用户突破时间和空间的限制享受虚拟现实的服务；支持海量信息处理以便提供超大规模服务等［1］。云计算技术逐渐成熟，将使得对运算能力要求高的产品得以运用，使得对运算能力要求高的服务得以实现，使得跨空间、跨时间的虚拟服务成为现实，使得跨平台、跨数据库的资源得以快速整合。人工智能产业在大数据、深度学习算法、计算能力三大要素的推动下逐渐成熟，人工智能研究让计算机模拟人的思考过程以及智能行为，如学习、问题求解、自动推理、智能检索、思考、规划等，其相关的技术包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理等［2］。期刊可以思考，现阶段或者未来在数字出版中，哪些环节可以用计算机或者机器人来实现，思考利用计算机和机器人可以帮助我们实现哪些人工难以完成的工作。物联网作为信息通信技术的典型代表，其技术和应用的普及以及逐渐成熟，将推动人类社会进入万物互联的新时代，可穿戴设备、智能家居、自动驾驶汽车、智能机器人等新设备将接入互联网。这使得未来学术出版物的产品、终端等呈现多样化。根据物联网的特点可以更多地思考学术出版的产品以及终端。区块链技术的特点是去中心化、分布式和安全。期刊可以从这三个特点考虑在这方面有要求的产品和环节。虚拟现实技术包括VR（虚拟现实技术）、AR（增强现实技术）和MR（混合现实技术）。VR是利用电脑模拟产生虚拟世界，让使用者如同身临其境一般，是纯虚拟数字画面。AR是通过电脑技术将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间，是虚拟数字画面和裸眼现实。MR包括增强现实和虚拟现实，指的是结合数字化的现实世界和虚拟世界而产生的新可视化环境，MR是数字化现实加虚拟数字画面。虚拟现实的特点将使得学术传播更加真实、直观、多方位、多角度。和期刊紧密结合的语义技术、碎片化技术、新媒体技术、视频技术等，这些期刊界比较熟悉，这里不再赘述。

二、我国科技期刊数字出版状况

根据《中国科技期刊发展蓝皮书（2017）》统计，我国科技期刊中，5020种期刊共有1375个主管单位、4381个出版单位。平均每个出版单位出版1.15本期刊，仅出版1种期刊的出版单位就有4205家［3］。我们可以看出，我国期刊众多，但是小而散，这些小而散的科技期刊很难有比较强的经济实力单独开展数字出版的转型。尤其是和国际大出版商相比，我国科技期刊的数字出版还落后很多。进行国际合作的英文学术期刊，充分利用国际数字出版平台，在一些流程中实现数字化，是众多国内英文科技期刊的选择。即使如此，我国科技期刊一直坚持不懈地利用一切可利用的资源逐步摸索出自己的数字化发展之路。在科技期刊数字出版过程中，期刊出版人体验了如图2（1）到（5）所示的媒体传播发展过程。尤其是近几年，科技期刊媒体融合技术和产品日新月异，科技期刊、期刊集群、超大规模刊群均在数字出版和媒体融合方面做了大量探索，并取得一定的成绩。图2媒体传播的发展1．期刊的数字出版我国科技期刊在数字出版方面侧重于期刊出版全流程的数字化以及为学科服务。目前，我国科技期刊出版流程中很多环节已经实现了数字化、融媒体发展。科技期刊数字出版的重点是采编审校、出版、学术传播和知识服务等环节。在出版方面，我国很多科技期刊除出版整期外，还做优先出版、预出版，也有期刊支持已经提交预印本库的文章，还有期刊平台支持连续文章出版。相当数量的科技期刊实现了xml制作、html展示、全媒体出版，并实现一次制作多元，还支持读者针对文章内容、图、表等进行交流和评论，甚至记笔记、翻译和分享。我国有100多家期刊加入双语出版，使得中文期刊的文章被翻译后得以在海外传播。也有期刊打造多媒体栏目，有的视频，通过多媒体的方式为读者直观地呈现原始的研究成果和重大发现。在学术传播方面，期刊也是百花齐放。有的通过论文改编或者写文章评论的方式在其他平台进行学术推广；有的充分利用各种数据库、社交平台、学术传播平台、学术媒体进行学术传播，例如《中国科学数据》的平台可以直接对接ResearchGate传播期刊论文；有的开通微信、微博、博客等进行学术社交；有的做精准推送；有的增加在线的微视频、音频等内容；有的充分利用新媒体领域的短视频平台，如今日头条、九州云播等开展专业领域的学术推广活动。在知识服务方面充分发挥学科特色，如将研究区域嵌入地图，进行线上线下推送相关专业信息、科普信息等；或者充分利用淘宝、抖音、快手等平台展示专业内容或科普内容。2．期刊集群的数字出版期刊集群侧重为所属期刊提供各种单刊不易实现的服务，降低刊均成本。例如，学科刊群比单个期刊容易整合更多学科资源，为本学科提供更丰富的服务，并且还能为所属期刊提供多种出版服务，进行整体学术推广，相比单刊有更大的学术影响力。近些年有众多声音指出，我国科技期刊很难与国际大出版商同台竞争的原因是我国期刊小散弱，因此呼吁我国期刊规模化发展和集群化发展。这些年也确实形成了一系列的期刊集群，并逐年扩大，如中华医学会医学期刊集群、科学出版社期刊群、高等教育出版社期刊集群、清华大学出版社期刊群、浙江大学出版社期刊群、中国光学期刊群、中国地理资源期刊集群等。这些期刊群均建设了自己的网站，并获得了一定的资金支持。在资源整合方面，如中国材料期刊网实现了期刊资源的集成，除此之外还整合了图书、专利、专家、会议等学科资源，并增加了虚拟专辑、会议系统等。中国煤炭网有期刊库、专题库、专家库、视频库以及煤炭视听板块（专家报告、特别访谈、煤炭科普、会议活动等），整合了行业资源。在平台建设方面，清华大学出版社期刊集群平台实现了预出版、OA出版等，还制定TUP-JATS的xml标准。浙江大学出版社期刊中心实现了全流程的数字化期刊集群平台建设，平台集投审稿、内容、运营推广、读者服务于一体，打通底层数据，实现多终端访问。中华医学会建设CAMJATS标准，采用统一的标准处理期刊相关数据，曾中标国家数字复合出版工程的试点单位和示范单位，并升级采编平台以及出版平台，进一步进行资源整合，实现采、编、审、排、加工、多形态、富媒体出版、移动出版、质量管理、新媒体学术推广、期刊销售、会议服务等一体化、现代化的出版和服务体系。高等教育出版社实现采编、运营管理、数字化生产、数字化平台建设、市场营销与海外合作的体系化发展。在学术推广方面，国内的期刊集群化平台常对接一些学术评价和学术推广平台，例如Almetric、TrendMD、Kudos、PubMed、CSCD、百度学术等。在知识服务方面，国内的学科期刊集群通常整合该学科的各种学术资源，为该学科研究人员提供知识服务，或者为期刊、编辑等提供行业服务。例如中国激光杂志社提供协同会议系统、DOI注册、编辑加工等行业服务，该集群通过举办会议聚拢专家资源和学术资源，同时也为光学领域提供服务［4］。3．超大期刊集群的数字出版国内的超大期刊集群，有知网、万方、维普、龙源、超星等，特点是能更好地利用大数据资源和技术为期刊出版的上游、期刊出版环节以及期刊出版的下游提供服务。下面以知网为例叙述超大期刊群的数字出版。知网整合了我国95%以上的中文学术资源，拥有我国最大最全的中文学术资源库，也拥有我国最广最全的读者群。知网在期刊上游环节，为作者以及研究人员提供的服务有：如何查资料、如何申请课题、怎么做实验、怎么做科研等信息；读者可通过中国知网、CNKISCHOLAR、全球学术快报、CNKI知识元搜索（碎片化地搜索图、表、概念、数字……）等检索学术论文、基金、碎片化资源、全媒体资源等；可以通过庞大的学者成果库、学者圈子等获取专家信息，进行学术社交；可以通过研究型学习平台获取或者管理自己关注的学术资源；可以通过大数据研究平台利用统计数据获取学术热点等信息。在期刊全流程出版环节，编辑可以利用选题策划、学术热点、期刊按需出版中的用户分析等模块进行选题策划，利用采编排发一体化出版系统（包括学术不端检测、文章创新性检测、

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关键词：航向控制；极点配置；遗传算法

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）12-2871-03

1 船舶航向控制概述

目前，水运是完成地区之间、国与国之间大宗货物贸易最有效最经济最广泛的运输方式。船舶在海上航行时，不可避免地要偏离给定航向，导致这种现象的原因是船舶受到海风、海流、海浪等海洋环境扰动的影响。船舶航向的改变会导致较大的航向偏差，进而导致航行距离的增大及运输成本的增大，也会对船上的设备、货物及乘员产生不利影响。为了节省能源和尽快到达目的地，必须尽量减小航向偏差[1]。

船舶的航向控制直接影响到船舶的操纵性能、安全性能和经济性能，航向控制问题本身是一个复杂而重要的问题。不论何种船舶，为了完成使命，必须进行航向控制。船舶推进、运动与姿态的操纵控制、船舶运动机理等问题目前已经引起了学术界的广泛关注，相关的研究成果已经发表，见文献[2-6]。

随着现代社会对自动化设备需求量的增加以及对于自动化设备技术水平要求的提高，人们对船舶的自动控制装置（自动舵）的需求和要求也逐步提高[7]。自动舵是保证船舶自动导航时的操纵性能的关键设备，其主要功能是用来自动保持船舶在给定航向或给定航迹上航行。基于自动舵的航向控制具有较高的研究价值。

本文将介绍基于极点配置方法以及基于遗传算法的航向控制策略。

2 船舶航向控制策略研究

下面结合工作实践，讨论船舶航向控制问题。

2.1 基于极点配置方法的船舶航向控制

在基于极点配置方法研究船舶航向控制问题之前，我们需要首先建立六自由度刚体运动方程。

定义：

[f0=τ1=[X，Y，Z]T] 为外部力

[m0=τ2=[K，M，N]T] 为外部力关于坐标原点的运动

[v0=v1=[u，v，ω]T] 为[[X0，Y0，Z0]]的线性速度

[ω=v2=[p，q，r]T] 为[[X0，Y0，Z0]]的角速度

[rG=[xG，yG，zG]T] 为重心

则可以得到如下的运动方程：

[m[u-vr+wq-xG（q2+r2）+yG（pq-r）+zG（pr+q）]=Xm[v-wp+ur-yG（r2+p2）+zG（qr-p）+xG（qp+r）]=Ym[w-uq+vp-zG（p2+q2）+xG（rp-q）+yG（rq+p）]=ZIxp+（Iz-Iy）qr-（r+pq）Ixz+（r2-q2）Iyz+（pr-q）Ixy+m[yG（w-uq+vp）-zG（v-wp+ur）]=KIyq+（Ix-Iz）rp-（p+qr）Ixy+（p2-r2）Izx+（qp-r）Iyz+m[zG（u-vr+wq）-xG（w-uq+vp）]=MIzr+（Iy-Ix）pq-（q+rp）Iyz+（q2-p2）Ixy+（rq-p）Izx+m[xG（v-wp+ur）-yG（u-vr+wq）]=N]

以上方程可以写成更简单的形式

[MRBν+CRB（ν）ν=τRB] （1）

其中[ν=[u，v，w，p，q，r]T]表示线性及角速度向量，[τRB=[X，Y，Z，K，M，N]T]表示外部力及时刻所构成的扩展向量，矩阵[MRB]，[CRB]的定义见文献[8]。如果只考虑sway-yaw和roll，由（1）可以得到如下的状态空间模型，

[v（t）r（t）ψ（t）p（t）?（t）=-1Tv0000KvrTr-1Tr00001000ω2nKvp00-2ξωn-ω2n00010v（t）r（t）ψ（t）p（t）?（t）+KdvTvKdrTr0ω2nKdp0δ（t）+001Tr0000ω2n00ωψ（t）ω?（t）]

定义[x（t）=vT（t）rT（t）ψT（t）pT（t）?T（t）T]，[ω（t）=ωTψ（t）ωT?（t）T]，则以上状态空间模型可以简化为

[x（t）=Ax（t）+B1δ（t）+B2ω（t）] （2）

其中矩阵[A，B1，B2]与上面状态空间模型的各个矩阵相对应。

对于（2）所描述的系统，我们采用极点配置方法研究解耦控制器设计问题。

将公式（2）中的舵角控制器分解为[δ（t）=δroll（t）+δyaw（t）]。选择[δroll（t），δyaw（t）]分别为

[δroll（t）=-G1p（t）-G2?（t）δyaw（t）=-G3r（t）-G4（ψ（t）-ψd）]

其中[G1，G2，G3，G4]为调节器增益矩阵。

为利用解耦的极点配置方法，我们采用如下的解耦模型

[s2+2ξnωns+ω2n=ω2nKdpδroll（1+Trs）sψ（s）=Kdrδyaw（s）]

可以根据如下方程来计算调节器增益矩阵[G1，G2，G3，G4]，

[2ξnωn+ω2nKdpG1?2ξ?ω?（1+KdpG2）ω2n?ω2?1+KdrG3Tr?2ξψωψKdrG4Tr?ω2ψ]

另外，为保证频率分离，所设计的控制器应该满足如下条件：

[ωψ1-2ξ2ψ+4ξ4ψ-4ξ2ψ+2

对于零点在右半象平面的船舶，艏摇的带宽必须小于右半平面的最小零点。因此艏摇的带宽有可能十分接近纵向旋转的带宽。因为我们必须进行频率分离，这样可能会导致系统性能较差。用现有文献中的一些简化模型并不能分析到这些影响系统性能的因素，然而，用本文的模型可以有效地解决该问题。

2.2 基于遗传算法的船舶航向控制

遗传算法 （Genetic Algorithms） 是解决高度复杂工程问题的一种计算方法[9]，其基本原理是仿照基因遗传学原理和生物进化自然选择过程进行优化搜索。

2.2.1 遗传算法的基本原理

遗传算法是基于“优胜劣汰，适者生存”的生物进化理论发展起来的，其基本思想是将欲求解的问题进行编码，每一个可能解均用字符串形式表示。其基本操作包括选择、交叉和变异。应用遗传算法对一个实际问题进行优化的一般步骤如下：

第一、确定决策变量及各种约束条件。第二、确定目标函数的类型及数学描述。第三、确定表示可行解的染色体编码方法。第四、确定个体适应度的评价方法。第五、设计遗传算子，即确定选择运算、交叉运算、变异运算等遗传算子。第六、确定遗传算法的有关运行参数。

2.2.2 基于自适应在线遗传算法整定的PID航向控制

本节采用遗传算法，根据航向控制系统的输入、输出信息构造自适应度函数，并在每个采样时间内都要进行参数寻优，即进行PID参数的在线整定，从而达到在线优化的目的。

先按经验选取一组[Kp，Ki，Kd]参数，然后在这组参数的周围（小范围内）随机产生多组，形成初始种群。在所得到的初始种群的基础上进一步进行参数整定，这样处理的优点在于避免参数选取范围过大的问题，从而减少初始寻优的盲目性，节省计算量[10]。

为了防止产生超调，并获取满意的动态特性，采用误差累积的加权、误差绝对值、误差变化率等作为每个采样时间的某个个体的最小目标函数值。

[J（i）=α|error（i）|+βerror（i）dt+γerror（i）dt]

为了避免超调，采用惩罚功能，即一旦产生超调，将超调量作为最优指标的一项，此时最优指标为

[If error（i）

最后，针对每个采样时间进行PID参数的遗传算法优化。在仿真程序中，如果代数Ge大于O，则程序为每个采样时间进行代数为Ge代的在线遗传算法整定PID控制器，如果指定代数Ge选为0，则程序退化为不进行遗传优化的一般PID控制。程序设计流程图如图1所示。

图1 在线整定PID航向控制原理图

3 结论

船舶航向控制的原理就是操纵人员在自动舵上设定一个所需的航向，船上的罗经测得实际航向和设定的航向进行比较，将比较得到的误差送入到航向控制器。在控制器中经过运算来实现自动舵的航向控制所需要的控制规律，其输出信号送到舵角随动系统中，再控制舵机装置转舵。该文主要研究了基于极点配置方法和基于遗传算法的船舶航向控制问题，所得到的结果对于工程实践具有一定的指导意义。

参考文献：

[l] 江娜.SVM及其在船舶航向控制系统故障预报中的应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学博士学位论文，2008.

[2] 张显库，贾欣乐.船舶运动控制[M].北京：国防工业出版社，2006.

[3] 贾欣乐，杨盐生.船舶运动数学模型——机理建模及辨识建模[M].大连：大连海事大学出版社，1999.

[4] T I Fossen.Marine Control Systems-Guidance， Navigation and Control of Ships， Rigs and Underwater Vehicles [M].Norway University of science and Technology，Trondheim，Norway，2002. （下转第2887页）

（上接第2873页）

[5] D Wang， J Huang. Neural Networks-Based Adaptive Dynamic Surface Control for a Class of Uncertain Nonlinear Systems in Strict-Feedback Form[J].IEEE Trans. Neural Networks，2005，16（1）：195-202.

[6] .基于动态神经模糊模型的欠驱动水面船舶运动控制[D].大连：大连海事大学博士学位论文，2010.

[7] 涂武.船舶航向最优控制与仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学硕士学位论文，2008.

[8] T I Fossen.Guidance and Control of Ocean Vehicles[M].Chichester，U.K.：Wiley， 1994.