基于U3D的船用培训软件设计

吴　正

(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化分所， 上海 200135)

0　引　言

虚拟现实技术起源于20世纪60年代，是指借助计算机系统及传感器技术生成三维环境，创造出一种崭新的人机交互方式，通过调动用户各种感官(视觉、听觉、触觉及嗅觉等)使用户得到更加真实的体验。随着此技术的发展，不仅可作用于娱乐游戏等产业，在应用教育及成果展示等许多领域均有应用。工信部在2016年4月发布了《虚拟现实产业发展白皮书5.0》，其中讲述了当前中国虚拟现实产业的发展状况，并提出了相关政策，从国家层面上充分肯定虚拟现实产业。这里将逐步说明并搭建一套完整的船用教学系统，从真实的船舶数据着手，绘制高仿真度的船体模型，加以虚拟的海航场景和设备模型，提供一个上船工作的虚拟环境。该教学系统将对船员培训及直观展示船用设备，起到重要作用。

1　数字模型制作

1.1　船体模型制作

确定船型，得到相应的主尺度、尺度比和船型系数。以10万吨货油轮为例，分别计算船长L、型宽B、型深D及吃水d。

在船舶计算中通常要进行船体计算，计算内容包括横剖面、水线面积及排水体积等面积与体积的几何形心及面积的惯性矩，这类计算称为船体计算，是船舶设计中的基础工作。由于船体型线复杂，不能使用单一的解析式表达，计算一般根据型线图，采用数值积分法进行。

图1

图2　船体模型效果图

1.2　室内以及设备模型

船上集中控制的作业地点主要分为驾驶室、货控室和集控室。其中相关设备装置种类繁多，但重在人机交互，无需设计材质和电路，故采用控制回路外循环作为基本要求，由船体得到最终模拟反馈。

此处仅以货控室为例，主要由液位测量设备和压载水操控台组成，其它设备可根据教学需求逐一制作。

各惰气压力表、液位值及高位报警和压载调水系统见图3，当使用者触及相应设备时，可对此进行操作。

a) 货控室CCR俯瞰图(远景)

b) 货控室俯瞰图(近景)

譬如改变压载调水系统的相关阀门，船体由于压载水改变倾斜度，左、右吃水会发生变化，使用者的视角也会相应倾斜，和真实的船上体验非常接近。

图4　视觉表现参数设定

1.3　环境背景模型

对于船用领域，环境背景一般为海洋，此处模型基于海浪频谱和方向谱理论，但通过海风、海浪的各种变化，可模拟各种气候现象，如潮汐、季风及飓风等极端气象。

除去功能性参数，视觉表现参数设定见图4。

2　Unity3D应用

Unity3D引擎是类似于Director,Blender engine,Virtools或Torque Game Builder等利用交互的图型化开发环境为首要方式的软件。其编辑器运行在Windows 和Mac OS X下，可发布游戏至Windows，Mac，Wii，iPhone，WebGL(需要HTML5)，Windows phone 8和Android平台，也可利用Unity web player插件发布网页程序，支持Mac和Windows的网页浏览。

借助Unity3D平台，加载已完成制作的船体和海洋模型,使用FBX格式导入并调整位置，可简单地搭建出一个虚拟航行场景，然后添加CS编译器加上物理效果，最后进行渲染(见图5)。

图5　虚拟航行场景

2.1　浮力计算

若要表现出接近真实的状态，涉及到各种外界因素，其中影响力较大的是浮力，需对浮力进行精确计算。

船舶航行中，最直观的即是四角吃水。但从测量角度一般由6个基准吃水点表示，艏吃水左(右)、舯吃水左(右)及艉吃水左(右)。为便于计算，以球体近似代替船体各部分产生的浮力，根据积分原则，当分割的球体越多，船体受力越趋向于真实(见图6)。

图6　船体吃水测量

估算作用力为浮力、风力、水阻和黏滞力的合力，由于风力与其他作用力不在同一坐标轴，需独立计算。浮力等于水面下船体的重力，需通过程序计算水面下船体的体积与海水密度的乘积；水阻和船速成正比，黏滞力与水深和黏力系数成正比[2]。相关程序段如下。

86 public void UpdateForces(Rigidbody body)

87 {

88

89 if(Ocean, Instance ## null}

90 {

90 BuoyantForce=Vector3,zero;

92 DragForce=Vector3,zero;

93 Stickyness=Vector3,zero;

94 return;|

95 }

96

97 Vector3 pos=transform, position;

98

99 WaterHeight=Ocean, Instance, QueryWaves (pos.x, pos.z);

100

101 CalculateSubmersion (radius, pos.y);

102

103 float unitScale=GetUnitScale();

104

105 float Fb=DENSITY_WATER*unitScale*SubmergedVolume;

106

107 BuoyantForce=Physics.gravity*-Fb;

108

109 Vector3 velocity=body.velocity;

110

111 float vm=velocity, magnitude;

112 velocity=velocity.normalized*vm*vm*-1.0f;

113

114 DragForce=0.5f*dragCoefficient*DENSITY_WATER*unitScale*SubmergedVolume*velocity;

115

116 Stickyness=Vector3.up*(WaterHeight-pos.y)*Mass*stickyness;

117

118 }

2.2　VR镜头制作

用左、右眼分屏的独立视角产生景深，造成立体感的视觉，再依靠重力感应的头部追踪技术感知头部动作，当使用者在现实世界中移动，虚拟现实世界中的使用者也能同样地移动。

当使用者向左看，头部追踪技术能识别该动作，这时硬件就会即时渲染出左边的场景，即往左看能看到左边的场景，往右看则能看到右边的场景，不会发生场景跟着使用者移动的意外(见图7)。

在画面中添加2个摄像机，同水平线间距可设为可变化(用于瞳距校准)，再将2个摄像头按左、右分布在画面中央。由于双眼视野透过球体透镜，需对画面进行反畸变处理。

当画面纹理产生畸变时，计算每一个变化的像素点是一个巨大的工作量，设计采用相对稀疏的网格的顶点做畸变处理，该方案可减少直接计算的资源,让GPU做大量的插值运算。不采用对每一个像素做处理,对网格中的每个顶点做计算，极大的减少了计算量(减少了3个数量级),且提升了性能。在Shader和Camera都可满足以上计算要求。经过畸变处理，可获得以下视角(见图8)。

2.3　人机互动设计

2.3.1场景漫游

以使用者步行角度，需添加x轴向的前进、后退，y轴向的左转、右转相关程序段如下。

Vector3 Move = cam.transform.forward*input.y + cam.transform.right*input.x;

Move.x = Move.x*movementSettings.CurrentTargetSpeed;

Move.y = Move.y*movementSettings.CurrentTargetSpeed;

以使用者视野角度，需添加y轴向的坐看，右看，z轴向的抬头、低头，相关程序段如下。

Vector3 Move.y = Move.z*movementSettings.CurrentTargetSpeed;

Quaternion Rotation = Quaternion.AngleAxis(transform.eulerAngles.y - oldYRotation, Vector3.up);

图7　数字视频激电

a)前视图

b)后视图

2.3.2设备交互

当使用者进入到场景中的室内环境，视角中所有的仪表和按钮都可设置为具有操作性，对应现实中的表现进行改变。

当程序默认从使用者双目中心位置射出一根隐藏的射线，通过射线与设备相交产生触发行为。

RaycastHit [] hits = Physics.RaycastAll ( transform.position, transform.forward )

根据要求可添加压载水调平衡操作，通过对控制台上压载水控制系统的使用，模拟船体各压载舱内的水位，同时影响到船体吃水位，产生倾斜角，使用者将得到真实的反馈表现。

同时，对控制台上的液位测试系统也进行相应的互动。各舱的液位也可反馈在仿真仪表上，令使用者身临其境，提高对设备使用的熟练度。

3　结　语

通过基于U3D的船用培训软件可提高上船工作者的环境认识度，在以后的船舶作业中，可快速掌握对相应设备的操作。用虚拟现实的设备可做到完全仿真的效果，对于一些具有危险性或价值巨大的设备，这种教学认知系统可提供安全可靠的学习环境。

参考文献：

[1]刘红. 船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社，2009.

[2]朱珉虎. 阻力、功率和航速的估算(一)[J].中外船舶科技，2005(2)：36-40.