基于“海洋石油301”船的船舶数字化三维模型开发

王 瑛，周 毅，李 萌，朱永凯，袁同军

(中海油能源发展采油服务公司 天津 300452)

近几年随着我国在数字化领域的高速发展，数字化三维模型因能展示更多的信息数据和视觉真实性，在工业领域已逐渐取代二维模型成为发展主流。目前在船舶领域，数字化三维模型也被广泛应用，例如造船厂采用数字化三维建模[1]，可用于提高造船精度和装配效率；航运院校则可配合虚拟现实技术进行高仿真性教学培训[2]等。

但是，船舶数字化三维建模还存在一定难点，一方面数据量庞大，建模周期较长；另一方面三维模型更加注重建模的准确性并体现原理性，所建模型的比例要与实船保持一致，虚拟船舶场景要符合造船工艺，管系连接要严格符合系统原理，且淡水管系、燃油管系、蒸汽管系要能正常运转。这些要求都增加了船舶数字化三维模型的难度。由于船舶设备繁多、管系复杂，三维模型的管理也较难。

本文以“海洋石油301”LNG运输船为目标船，对建立船舶三维模型的全过程进行详细剖析。探讨建模和多个优化方法的局限性，从中选取最合适的建模手段和优化方法，搭建与实船完全一致的三维模型，建立全船系统，使其可在船舶舱室、驾驶室及 船舶甲板间进行虚拟漫游，快速进入选择的区域或 空间。

1 三维建模方法与步骤

1.1 建模方法

目前三维建模的方法分为曲面建模法、多边形建模法、逆向建模法[3-4]等，从实时动态逼真地模拟LNG船舶场景的需求同时兼顾硬件的限制和易操作性的角度考虑，船舶三维建模往往采用多边形建模和细分曲面建模2种方法。

1.2 总体建模步骤

在进行建模之前，针对船舶建模的难点确立了船舶几何建模的几条准则，包括建模基础数据的准备、制作简模、合理分布模型密度、合并相同材质模型、避免出现2个面片间距过近、删除不可见的面片等。还需要编制文档，在文档中每个设备作为1个单元，对这个单元进行拆分，细化到具体部件，并明确该部件的功能及交互方式。

船舶数字化三维模型建模的步骤如下：①建立基础数据库，为保证船舶三维模型的准确性和真实性，需将目标船的技术规格书、设计图纸、系统原理图、设备清单等基础数据提前收集整理；②建立系统模型库，根据船舶结构数据库和设备数据库分别对船舶结构和设备进行建模以备调用；③组合模型，将船舶结构与设备按照目标船实际数据内容将模型组合，并进行反复校对；④添加标识，对建立的船舶三维模型添加标识字段以区分交互实体与非交互实体，对交互实体也需添加标识以区分交互实体的类型。

2 船舶数字化三维模型

LNG船体可分为主船体和上层建筑两部分，主船体由船底、舷侧、上甲板围成，其内部空间又分隔成许多舱室；上层建筑主要有甲板室和船楼。因LNG船舶设备繁多、管系复杂、舱室众多，以下仅从船舶整体、主要舱室、典型设备3个层次介绍船舶数字化三维模型的建立过程。

2.1 船舶整体数字化三维模型

LNG船舶整体建模流程如图1所示。首先收集整理LNG船舶资料，编写策划文档，编制模型制作及命名规则，在此基础上制作船体白模；当白模完成后，根据LNG目标船的模型特点，结合具体数据为白模制作贴图；贴图完成后，对建模的灯光、阴影等元素进行渲染，使模型更为逼真；最后将各个模块进行整合，完成LNG船舶建模。

图1 三维船舶整体建模流程 Fig.1 Overall 3D ship modeling process

为了后续将模型及贴图进行分类，在满足一定精度的前提下，应尽可能减少模型数量。另外，按照命名规则对每个部件进行命名，以便于后续的交互和完善。命名规则包括模型细化命名规则和材质贴图命名规则等。图2是模型制作及命名规则。

图2 模型制作及命名规则部分 Fig.2 Model making and naming rules

LNG船舶整体模型的各个制作阶段如图3所示。白模阶段如图3(a)所示，将白模上完颜色材质如图3(b)所示，制作完贴图之后如图3(c)所示，渲染之后的模型如图3(d)所示。

图3 船舶整体建模的各个阶段效果 Fig.3 Effect of each stage of ship overall modeling

2.2 主要舱室数字化三维模型

LNG船舶舱室众多，一些舱室如驾驶室、集控室、货控室等非常关键，而这些舱室通常空间狭窄、设备众多、有大量的仪器仪表，建模的工作量很大。如何更高效、逼真地绘制舱室，也是船舶数字化三维模型的难点。对于这些舱室，以模块化思想为基础，结合航海工作实际，按照位置细分或者按照设备各类细分。如图4所示为船舶驾驶室的模块化分区图。

图4 驾驶室模块分区 Fig.4 Cab module zoning

对整个驾驶室进行模块分区后，每个区域模块分别建模，之后再集成为一个舱室，既方便建模，也方便后期的修改和维护。图5为LNG驾驶室各区域模块的模型及各区域模块集成在一起形成驾驶室的效果，其中，图5(a)为各区域模块集成在一起形成驾驶室的效果，图5(b)为海桌图三维建模效果，图5(c)所示为组合电台，图5(d)为区域模块集成。

图5 LNG驾驶室分区域建模 Fig.5 Zone modeling of cab

2.3 典型设备数字化三维模型

典型设备模型建模的优劣直接影响后续的整体效果和交互体验。由于船舶设备众多，现阶段每一个设备都建立精细模型是难以实现的。因此，在拥有准确模型数据的基础上，还要划分出设备的优先级，主次分明地建立模型，既可以提高运行速度，又可以保证场景的漫游交互效果。

设备建模主要采用多边形建模法。由于LNG船舶场景设备繁多、管系复杂，最终的船舶数字化三维模型面片总数会相当巨大，必然影响三维场景的加载速度、画面平均率、内存占用率、交互延迟时间。因此，在建模过程中需尽量减少和优化模型的面片数、边数等数据信息。

合理地利用Photoshop和3D Studio Max可进一步提高船舶建模的效果。利用3D Studio Max对模型渲染得到模型的UV，放到Photoshop中，绘制出纹理，然后保存图片；再从3D Studio Max中的贴图图库找到Photoshop处理过的图片，并用3D Studio Max将贴图重新赋给模型；最后查看效果并进一步修改完善，直至达到效果最佳。典型设备建模流程如图6所示。图7为一些典型小设备的三维建模过程，从左到右分别是白模、贴图模型和渲染模型。

图6 典型设备建模流程 Fig.6 Typical equipment modeling process

图7 典型小设备建模各个阶段 Fig.7 Typical small device modeling stages

3 模型的优化

船舶场景设备繁多、管系复杂，最终的船舶数字化三维模型面片总数将相当巨大，必然会对三维场景绘制实时性(包括加载速度、画面平均帧率、内存占用率、交互延迟时间等)造成影响，若只通过缩减船舶数字化三维模型面片来提高场景的绘制效率，必然会降低模型的精度，在一定程度上会影响船舶的真实性。因此，必须采用有效的优化方法使船舶场景既有真实感又有实时性。针对此问题，要做大量的优化工作，如贴图优化、LOD技术、数据库的高效组织、减少状态改变、渲染优化等。

3.1 贴图优化

为更好地展现船舶设备的局部细节，使整体效果更为逼真，同时节省面片数，需要通过相应的技术手段对贴图进行优化。如图8(a)所示类似镂空设备的建模，通常采用Alpha贴图进行优化；图8(b)展现大面积油漆面的设备，需要通过凹凸贴图优化。

图8 贴图优化 Fig.8 Map optimization

3.2 多细节层次(LOD)技术

LNG船舶建模过程中，如果每个设备的每个细节全部展现在建模中，将占用大量资源降低运行速度，因此现在广泛使用LOD技术[5]，即多细节层次技术对模型中所有设备进行优化，对所展现的目标物按照重要性和距离远近进行归纳分类，降低对非重要或距离较远的目标物刻画细节和面数，从而提高建模整体效率和降低资源占用率。

图9为本次建模对所有设备模型分类示例。 第1步先初步分为l1(重要或近距离)和l2(次重要或远距离)2个大类，将无需展示的直接剔除；第2步再根据第1步剩余2个分类进一步细化为4个分类；最后分别按等级定义为model1、model2、model3、model4 4个类型，即model1为最需要细节刻画的一类模型，model4为简单展示的一类模型。

图9 LOD嵌套结构 Fig.9 LOD nesting structure

3.3 场景数据库的高效组织

虚拟船舶场景库必须高效地进行绘制，通常更新速率为每秒20帧以上，每帧的绘制过程可分为3个阶段：更新、拣选和绘制。拣选过程中每一帧都需要对原始船舶场景数据库访问并提取，原始数据库如过于随意杂乱同样会造成数据拣选时间延长，从而影响整体效率。绘制场景同样如此，因为绘制场景需要对拣选的数据进行提取，提取过慢容易造成绘制过程出现丢帧或失帧。同时，拣选和绘制所耗费的时间和速率要保持一定协调与平衡性，如果拣选耗时过长，会造成系统没有足够余量去提取数据，从而影响绘制整体效率。目前，三维建模中通常会对数据库进行整理，利用一定的空间和逻辑性对数据结构重新组织，从而达到数据库的高效运转。

图10所示为一个船舶在码头的场景，该场景一共由Area1、Area2、Area3和Area4 4个分场景组成，已知场景中有2组树(Tree)和2组建筑物(Building)，通过空间的方法组织数据，就需将处于Area1的一组树和建筑物定义为Tree1和Building1，将处于Area4的一组树和建筑物定义为Tree2和Building2，这样在拣选和绘制某组树和建筑物时系统将很快且精准地访问到该组数据。

图10 空间和逻辑相结合的结构组织数据库 Fig.10 Structure of spatial and logical organization database

假设为了进一步展示树Tree1的局部细节，可对Tree1的数据再细分为t1和t2 2组数据分支，但是再细分的分支不宜过多，当过多时同样会造成Tree1数据异常庞大、系统忙于拣选使访问和提取时间过长。所以还需要进行逻辑分析，将数据相似的尽可能整合在一起，控制好分支的数据量。

由于LNG船舶三维建模每组设备和场景的模型数量巨大，如果在建模后期再进行数据组织整理，会造成建模者调整异常艰难。笔者建议在建模初期合理组织每个场景数据库，从而减少后期建模工作量。

3.4 状态改变

LNG船舶三维建模过程中建模软件所生成的图形API所包含的颜色、材质等元素信息始终被保存在缓存中，因累积将占用大量资源而影响建模绘制的效率，同时状态改变过于频繁会影响模型运行速度。为此，需要将状态改变进行优化处理。如图11(a)所示，原object1数据中包含p1、p2、p3、p4、p5、p6共 6组数据，按顺序会发生5次状态改变。经优化整理后发现p1、p3、p5的数据信息相同，p2、p4、p6的数据信息相同，据此可优化为图11(b)两类状态，那么中间只发生1次改变即可，从而简化了状态数据的改变过程。

图11 状态改变 Fig.11 Status change

3.5 渲染优化

为使所开发的船舶三维场景具有更强的真实性与材质感，需要对所建模型和场景进行渲染优化[6]，通过补充光照、阴影及色彩等元素而使模型信息更为丰富。目前渲染的主要方法分为2种：一种为实时渲染法，即将所建目标模型的光照、阴影等元素通过GPU实时计算后再渲染到模型上，其优点是所建模型具有较高的实时性和流畅性，缺点是需要大量实时计算和编码，并且对GPU等硬件要求高，故广泛用于船舶外部甲板、动设备等实时场景的渲染；另一种为静态烘焙渲染法，即将光照、阴影等原始信息预先制成多张贴图再渲染贴至目标模型，其优点是可减少实时渲染的计算量，缺点是会大量占用显存且效果均为静态，故广泛用于各类船舶内部舱室、静设备等静态场景的渲染。通过2种渲染方法的优势互补、相互结合，提高了船舶三维场景建模效率和经济性。

经过上述步骤优化后，LNG船舶数字化三维模型部分效果如图12所示，最终的三维场景与实际场景几乎一致。

图12 数字化三维模型效果图 Fig.12 Effect drawing of digital 3D model

4 结 论

本文通过梳理LNG船舶数字化三维建模流程和流程优化方法，解决了以往船舶建模过程数据量体积庞大、系统流程性不足和缺乏真实性与实时性等容易出现的问题；同时，各种建模方法的选取与结合提高了建模和场景系统运行效率，缩短了建模的周期，对后期LNG船舶仿真系统的建立提供指导与参考。■