導(dǎo)語(yǔ)：數(shù)字媒體技術(shù)船舶航行環(huán)境模擬研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要:船舶航行環(huán)境模擬器是一個(gè)面向船員訓(xùn)練的仿真系統(tǒng)，交互性良好的船舶航行環(huán)境模擬器可以提高船員訓(xùn)練的效率，節(jié)約資源。本文利用數(shù)字媒體技術(shù)開(kāi)發(fā)一種船舶航行環(huán)境模擬器，采用的數(shù)字媒體技術(shù)包括三維建模技術(shù)、GPU編程技術(shù)、OSG虛擬引擎技術(shù)等，該航行環(huán)境模擬器能夠模擬船舶操作過(guò)程的海洋、光照等動(dòng)態(tài)環(huán)境，具有較大的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字媒體技術(shù)；虛擬引擎；三維建模；GPU編程

航海模擬器的作用是為受訓(xùn)人員提供一種模擬環(huán)境，使受訓(xùn)人員產(chǎn)生身臨其境的船舶駕駛感，從而提高人員的訓(xùn)練效果。視景系統(tǒng)是船舶航行模擬器的關(guān)鍵組成，利用視景系統(tǒng)可以模擬船舶駕駛過(guò)程中的周?chē)h(huán)境變化，包括海浪、光照、障礙物等。航海模擬器能夠降低船舶駕駛?cè)藛T的訓(xùn)練成本，提高訓(xùn)練效果，目前已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用。數(shù)字媒體技術(shù)的核心是利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建一種虛擬場(chǎng)景，為用戶(hù)提供一種具有交互性的環(huán)境。近年來(lái)，數(shù)字媒體技術(shù)獲得了各種工業(yè)領(lǐng)域的重視，基于數(shù)字媒體技術(shù)的船舶航海模擬器的開(kāi)發(fā)成為一項(xiàng)熱點(diǎn)研究[1]。本文開(kāi)發(fā)一種基于數(shù)字媒體技術(shù)的船舶航行環(huán)境模擬平臺(tái)，介紹了航行環(huán)境模擬平臺(tái)的基本構(gòu)成，對(duì)平臺(tái)的環(huán)境模擬原理進(jìn)行了詳細(xì)的研究，包括三維建模、GPU程序開(kāi)發(fā)和環(huán)境渲染等，本文的研究有助于船舶航行環(huán)境模擬器的技術(shù)進(jìn)步。

1船舶航行環(huán)境模擬平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)

船舶航行環(huán)境模擬平臺(tái)的開(kāi)發(fā)目的是為用戶(hù)提供一個(gè)模擬視景，用戶(hù)在操作模擬平臺(tái)時(shí)，視景環(huán)境會(huì)隨著平臺(tái)操作發(fā)生變化，從而提高用戶(hù)的訓(xùn)練體驗(yàn)。本文建立的船舶航行環(huán)境模擬平臺(tái)包括主控機(jī)、多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、測(cè)量平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和太陽(yáng)模擬器等，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。船舶航行環(huán)境模擬平臺(tái)具備的功能包括：1）多自由度運(yùn)動(dòng)控制功能模擬平臺(tái)為了能夠模擬船舶操作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特性，在搭建模擬平臺(tái)時(shí)采用了六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可以模擬船舶運(yùn)動(dòng)過(guò)程的前進(jìn)、后退、橫搖、縱搖、垂蕩等運(yùn)動(dòng)形式。模擬平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置包括經(jīng)緯度、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、航行速度等，用戶(hù)可以根據(jù)訓(xùn)練需求進(jìn)行模擬平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制。2）三維顯示功能三維顯示功能是指船舶航行模擬平臺(tái)的視景環(huán)境是一個(gè)三維環(huán)境，隨著用戶(hù)對(duì)模擬平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，用戶(hù)面對(duì)的主控機(jī)和顯示器內(nèi)容會(huì)隨之發(fā)生變化，形成一種動(dòng)態(tài)的三維場(chǎng)景。虛擬平臺(tái)的三維顯示功能依托于數(shù)字媒體技術(shù)的三維建模和渲染技術(shù)，本文采用MultigenCreator三維建模軟件構(gòu)建模擬平臺(tái)的虛擬場(chǎng)景。3）操作和狀態(tài)記錄功能用戶(hù)在使用該航行模擬器進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，需要進(jìn)行操作記錄和系統(tǒng)的狀態(tài)記錄，以便于后期對(duì)訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行歸納總結(jié)。系統(tǒng)的狀態(tài)信息主要是指船舶模型的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息，這些信息統(tǒng)一存儲(chǔ)在模擬平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。4）通信功能船舶航行模擬器具有通信功能，可以將模擬器的工作狀態(tài)通過(guò)數(shù)據(jù)打包的方式發(fā)送至計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備。

2數(shù)字媒體技術(shù)在船舶航行環(huán)境模擬器中的應(yīng)用

2.1三維建模技術(shù)

船舶航行環(huán)境模擬器的三維建模直接決定了模擬器的使用效果，常用的數(shù)字媒體三維建模軟件包括3DMAX，MultigenCreator，CREO等[2]，其中，3DMAX軟件具有強(qiáng)大的模型渲染功能，可以實(shí)現(xiàn)逼真而豐富的局部細(xì)節(jié)，一般在進(jìn)行精細(xì)化建模時(shí)采用3DMAX軟件；MultigenCreator在大型場(chǎng)景建模方面更有優(yōu)勢(shì)，建模速度快、效率高，本文采用的是MultigenCreator軟件。航行環(huán)境模擬器的三維建模包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理和平臺(tái)建模等流程，如圖2所示。本文使用MultigenCreator軟件主要完成了2種虛擬場(chǎng)景的三維建模，分別是機(jī)艙駕駛室內(nèi)景建模和航行環(huán)境外景建模。1）機(jī)艙駕駛室內(nèi)景建模為了提高受訓(xùn)人員的實(shí)際操作體驗(yàn)，船舶航行環(huán)境模擬器的內(nèi)景建模參考了船舶駕駛室布局和設(shè)備外型等信息，建模時(shí)首先對(duì)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行拍攝，同時(shí)對(duì)駕駛室中的設(shè)備外型尺寸進(jìn)行測(cè)量，在MultigenCreat-or軟件中建立1∶1的設(shè)備模型。2）航行環(huán)境外景建模船舶航行的虛擬外景模型跟普通模型一樣，也是由基本的點(diǎn)、線、面組成，不同于駕駛室內(nèi)景設(shè)備的一比一建模，大型場(chǎng)景的三維建模采用的是數(shù)據(jù)點(diǎn)直接生成曲面，再由曲面生成三維模型的過(guò)程。這些離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)稱(chēng)為場(chǎng)景的DEM高程數(shù)據(jù)點(diǎn)[3]，是由衛(wèi)星、水文探測(cè)器等設(shè)備采集而來(lái)的。此外，航行環(huán)境模擬器的外景模型還需要通過(guò)線性插值法進(jìn)行優(yōu)化，在MultigenCreator軟件中可實(shí)現(xiàn)快速的曲面插值。

2.2基于GPU軟件程序的環(huán)境模擬圖像渲染

經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展，GPU技術(shù)已經(jīng)具備了高性能的圖像處理和渲染能力，目前，GPU技術(shù)在動(dòng)畫(huà)、視頻游戲等方面有廣泛的應(yīng)用。目前，基于GPU的圖像處理流程簡(jiǎn)單，靈活性高，且圖像處理效果好。圖3為GPU圖像處理的功能流水線示意圖?？芍珿PU圖像處理的功能流水線包括圖像輸入、著色器、GPU裁剪、視窗變換[4]、光柵化等，圖像渲染位于航行環(huán)境模擬器的主控機(jī)中。

2.3基于OSG的航行環(huán)境模擬器引擎開(kāi)發(fā)

OSG三維引擎[5]是一種底層的圖像應(yīng)用庫(kù)，支持跨平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，內(nèi)部集成了三維視景開(kāi)發(fā)所需的多種圖1船舶航行環(huán)境模擬平臺(tái)整體組成圖Fig.1Overallcompositionofshipnavigationenvironmentsimulationplatform圖2船舶航行環(huán)境模擬器的三維建模流程Fig.2Threedimensionalmodelingprocessofshipnavigationenvironmentsimulator第43卷趙瑩：基于數(shù)字媒體技術(shù)的船舶航行環(huán)境模擬研究·41·功能，本文搭建的航行環(huán)境模擬器基于OSG數(shù)據(jù)引擎，采用MultigenCreator軟件完成三維建模，開(kāi)發(fā)過(guò)程如下：步驟1　多自由平臺(tái)搭建采用多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和主控機(jī)配合，形成具有多自由度的船舶模型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。步驟2　OSG三維引擎驅(qū)動(dòng)設(shè)置使用OSG三維引擎需要完成構(gòu)建層和交互層的初始化設(shè)置，構(gòu)建層集成了模型開(kāi)發(fā)所需的工具及接口；交互層負(fù)責(zé)模型的裝配、渲染。步驟3　場(chǎng)景建模使用MultigenCreator軟件完成內(nèi)部駕駛室內(nèi)景和外部環(huán)境三維模型的建模。步驟4　GPU圖像渲染將MultigenCreator的模型數(shù)據(jù)利用GPU流水線進(jìn)行渲染，提高模型的逼真度。圖4為船舶航行環(huán)境模擬器的示意圖?？芍?，航行環(huán)境模擬器的近景為駕駛室操作臺(tái)，局部細(xì)節(jié)模型真實(shí)還原了駕駛室操作臺(tái)的實(shí)際設(shè)備；遠(yuǎn)景為船體、海浪、天空等場(chǎng)景，隨著船舶航行環(huán)境模擬器的運(yùn)動(dòng)，周?chē)S視景不斷進(jìn)行變化。

3結(jié)論

海上航行環(huán)境模擬器的作用是為受訓(xùn)用戶(hù)提供一個(gè)真實(shí)、交互性良好的虛擬平臺(tái)，使受訓(xùn)人員在室內(nèi)即可完成基本的船舶操縱訓(xùn)練。本文結(jié)合數(shù)字媒體技術(shù)完成了船舶航行環(huán)境模擬器的開(kāi)發(fā)，并詳細(xì)介紹了環(huán)境模擬器的開(kāi)發(fā)流程及關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)，包括GPU圖像渲染、MultigenCreator軟件三維建模等。

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作者：趙瑩 單位：山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字媒體系