数字媒体技术船舶航行环境模拟研究

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摘要:船舶航行环境模拟器是一个面向船员训练的仿真系统，交互性良好的船舶航行环境模拟器可以提高船员训练的效率，节约资源。本文利用数字媒体技术开发一种船舶航行环境模拟器，采用的数字媒体技术包括三维建模技术、GPU编程技术、OSG虚拟引擎技术等，该航行环境模拟器能够模拟船舶操作过程的海洋、光照等动态环境，具有较大的应用潜力。

关键词：数字媒体技术；虚拟引擎；三维建模；GPU编程

航海模拟器的作用是为受训人员提供一种模拟环境，使受训人员产生身临其境的船舶驾驶感，从而提高人员的训练效果。视景系统是船舶航行模拟器的关键组成，利用视景系统可以模拟船舶驾驶过程中的周围环境变化，包括海浪、光照、障碍物等。航海模拟器能够降低船舶驾驶人员的训练成本，提高训练效果，目前已经获得广泛的应用。数字媒体技术的核心是利用计算机的数据处理能力，结合互联网技术搭建一种虚拟场景，为用户提供一种具有交互性的环境。近年来，数字媒体技术获得了各种工业领域的重视，基于数字媒体技术的船舶航海模拟器的开发成为一项热点研究[1]。本文开发一种基于数字媒体技术的船舶航行环境模拟平台，介绍了航行环境模拟平台的基本构成，对平台的环境模拟原理进行了详细的研究，包括三维建模、GPU程序开发和环境渲染等，本文的研究有助于船舶航行环境模拟器的技术进步。

1船舶航行环境模拟平台的整体设计

船舶航行环境模拟平台的开发目的是为用户提供一个模拟视景，用户在操作模拟平台时，视景环境会随着平台操作发生变化，从而提高用户的训练体验。本文建立的船舶航行环境模拟平台包括主控机、多自由度运动平台、测量平台、数据采集平台和太阳模拟器等，整体结构如图1所示。船舶航行环境模拟平台具备的功能包括：1）多自由度运动控制功能模拟平台为了能够模拟船舶操作过程的运动特性，在搭建模拟平台时采用了六自由度运动平台，可以模拟船舶运动过程的前进、后退、横摇、纵摇、垂荡等运动形式。模拟平台的运动参数设置包括经纬度、运动姿态、航行速度等，用户可以根据训练需求进行模拟平台的运动控制。2）三维显示功能三维显示功能是指船舶航行模拟平台的视景环境是一个三维环境，随着用户对模拟平台的运动控制，用户面对的主控机和显示器内容会随之发生变化，形成一种动态的三维场景。虚拟平台的三维显示功能依托于数字媒体技术的三维建模和渲染技术，本文采用MultigenCreator三维建模软件构建模拟平台的虚拟场景。3）操作和状态记录功能用户在使用该航行模拟器进行训练时，需要进行操作记录和系统的状态记录，以便于后期对训练过程进行归纳总结。系统的状态信息主要是指船舶模型的运动姿态信息，这些信息统一存储在模拟平台的数据库中。4）通信功能船舶航行模拟器具有通信功能，可以将模拟器的工作状态通过数据打包的方式发送至计算机网络中的其他设备。

2数字媒体技术在船舶航行环境模拟器中的应用

2.1三维建模技术

船舶航行环境模拟器的三维建模直接决定了模拟器的使用效果，常用的数字媒体三维建模软件包括3DMAX，MultigenCreator，CREO等[2]，其中，3DMAX软件具有强大的模型渲染功能，可以实现逼真而丰富的局部细节，一般在进行精细化建模时采用3DMAX软件；MultigenCreator在大型场景建模方面更有优势，建模速度快、效率高，本文采用的是MultigenCreator软件。航行环境模拟器的三维建模包括环境数据采集、数据网格化处理和平台建模等流程，如图2所示。本文使用MultigenCreator软件主要完成了2种虚拟场景的三维建模，分别是机舱驾驶室内景建模和航行环境外景建模。1）机舱驾驶室内景建模为了提高受训人员的实际操作体验，船舶航行环境模拟器的内景建模参考了船舶驾驶室布局和设备外型等信息，建模时首先对实际场景进行拍摄，同时对驾驶室中的设备外型尺寸进行测量，在MultigenCreat-or软件中建立1∶1的设备模型。2）航行环境外景建模船舶航行的虚拟外景模型跟普通模型一样，也是由基本的点、线、面组成，不同于驾驶室内景设备的一比一建模，大型场景的三维建模采用的是数据点直接生成曲面，再由曲面生成三维模型的过程。这些离散的数据点称为场景的DEM高程数据点[3]，是由卫星、水文探测器等设备采集而来的。此外，航行环境模拟器的外景模型还需要通过线性插值法进行优化，在MultigenCreator软件中可实现快速的曲面插值。

2.2基于GPU软件程序的环境模拟图像渲染

经过几十年的不断发展，GPU技术已经具备了高性能的图像处理和渲染能力，目前，GPU技术在动画、视频游戏等方面有广泛的应用。目前，基于GPU的图像处理流程简单，灵活性高，且图像处理效果好。图3为GPU图像处理的功能流水线示意图。可知，GPU图像处理的功能流水线包括图像输入、着色器、GPU裁剪、视窗变换[4]、光栅化等，图像渲染位于航行环境模拟器的主控机中。

2.3基于OSG的航行环境模拟器引擎开发

OSG三维引擎[5]是一种底层的图像应用库，支持跨平台的开发，内部集成了三维视景开发所需的多种图1船舶航行环境模拟平台整体组成图Fig.1Overallcompositionofshipnavigationenvironmentsimulationplatform图2船舶航行环境模拟器的三维建模流程Fig.2Threedimensionalmodelingprocessofshipnavigationenvironmentsimulator第43卷赵莹：基于数字媒体技术的船舶航行环境模拟研究·41·功能，本文搭建的航行环境模拟器基于OSG数据引擎，采用MultigenCreator软件完成三维建模，开发过程如下：步骤1　多自由平台搭建采用多自由度运动平台和主控机配合，形成具有多自由度的船舶模型运动平台。步骤2　OSG三维引擎驱动设置使用OSG三维引擎需要完成构建层和交互层的初始化设置，构建层集成了模型开发所需的工具及接口；交互层负责模型的装配、渲染。步骤3　场景建模使用MultigenCreator软件完成内部驾驶室内景和外部环境三维模型的建模。步骤4　GPU图像渲染将MultigenCreator的模型数据利用GPU流水线进行渲染，提高模型的逼真度。图4为船舶航行环境模拟器的示意图。可知，航行环境模拟器的近景为驾驶室操作台，局部细节模型真实还原了驾驶室操作台的实际设备；远景为船体、海浪、天空等场景，随着船舶航行环境模拟器的运动，周围三维视景不断进行变化。

3结论

海上航行环境模拟器的作用是为受训用户提供一个真实、交互性良好的虚拟平台，使受训人员在室内即可完成基本的船舶操纵训练。本文结合数字媒体技术完成了船舶航行环境模拟器的开发，并详细介绍了环境模拟器的开发流程及关键技术细节，包括GPU图像渲染、MultigenCreator软件三维建模等。

参考文献：

[1]芦鸿雁,李斌兵.MultigenCreator三维建模的关键技术与实践[J].计算机与信息技术(Z1期):23−25.

[2]杭燚,王晓锋,杨国来,等.基于MultiGenCreator/Vega的虚拟现实仿真系统[J].弹箭与制导学报,2007,27(1):339–342.

[3]王晓宇.基于虚拟现实技术的分布式三维室内设计系统设计[J].现代电子技术,2019,42(539):191–194.

[4]朱江,时圣军.综合自然环境建模与仿真技术在训练模拟器中的应用[J].飞机工程,2008(3):71–75.

作者：赵莹 单位：山东电子职业技术学院数字媒体系