船舶航行環(huán)境可視化仿真

熊振南　周世波

摘 要：為制定大型船舶和危險(xiǎn)品船舶的監(jiān)管方案，提高海事管理部門應(yīng)對各種危險(xiǎn)情況的能力，降低實(shí)際訓(xùn)練的成本和風(fēng)險(xiǎn)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建船舶航行環(huán)境仿真系統(tǒng).該系統(tǒng)利用ArcGIS和Creator等可視化建模軟件建立三維地形和船舶、航標(biāo)等三維實(shí)體，以Vega管理三維場景，模擬霧、白天、黑夜等自然現(xiàn)象.系統(tǒng)在湄洲灣LNG船舶監(jiān)管方案設(shè)計(jì)中得到實(shí)際應(yīng)用，為LNG船舶監(jiān)管方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供輔助和支持.

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)； 航行環(huán)境； 仿真

中圖分類號：U644.3; U666.158; U675.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Visual simulation in navigational environment

XIONG Zhennan, ZHOU Shibo

(Navigation Institute, Jimei Univ., Xiamen Fujian 361021, China)

Abstract： In order to establish the supervision schemes for large ships and dangerous cargo ships, help the maritime safety administration to improve the ability of dealing with the various dangerous situation, reduce the drilling cost and risk, a visual navigational environment system is established adopting the technology of the visual reality. In this system, 3D entities such as 3D terrains, ships and navigation marks are set up by the help of the visual modeling software of ArcGIS, Creator, etc. 3D environment is supervised by Vega to simulate the navigational environment such as fog, day and night. The system has been applied in the supervision project for LNG vessels navigating in Meizhouwan to provide assistance and reference for designing and perfecting the supervision schemes.

Key words： virtual reality； navigational environment； simulation

0 引 言

保證大型船舶和危險(xiǎn)品船舶的航行安全是海事主管部門的重要工作.為保證監(jiān)管方案的可操作性和可靠性，需要在實(shí)踐中不斷調(diào)整和優(yōu)化不同船舶的監(jiān)管方案，不僅增加經(jīng)濟(jì)成本，而且存在一定的安全隱患.因此，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建船舶航行環(huán)境，真實(shí)再現(xiàn)船舶周圍的地形、水文、助航設(shè)施和交通流等情況，使海事管理人員在較短時(shí)間內(nèi)不斷演練事先制定的監(jiān)管方案，在演練中調(diào)整和優(yōu)化該方案是比較經(jīng)濟(jì)和安全的做法.

本文結(jié)合湄洲灣LNG船舶監(jiān)管方案設(shè)計(jì)，介紹虛擬船舶航行環(huán)境的組成和可視化仿真方法，并對可視化仿真中建模技巧、數(shù)據(jù)的簡化和處理方法等進(jìn)行闡述.

1 船舶航行環(huán)境仿真

船舶航行環(huán)境指航行中除人員與設(shè)備以外的客觀環(huán)境.從航行涉及的客觀因素分析，航行環(huán)境包含地理環(huán)境、氣象環(huán)境、水文環(huán)境與通航環(huán)境等，它們的空間形態(tài)隨航行過程演變，具有多維性.如果把航行環(huán)境作為1個(gè)系統(tǒng)，其功能就是構(gòu)成航行的空間載體與物理?xiàng)l件，航行環(huán)境中各類環(huán)境的相互關(guān)系構(gòu)成該空間載體的有機(jī)整體.運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬航行環(huán)境，首先需要把航行環(huán)境數(shù)字化，即建立航行環(huán)境的數(shù)字模型，這是航行環(huán)境可視化仿真的基礎(chǔ)，通過三維地形、聲效和海浪等要素展現(xiàn)航行環(huán)境.船舶駕駛員通過一定的操作界面感知周圍環(huán)境，達(dá)到輔助熟悉環(huán)境、掌握態(tài)勢和輔助決策等目的，這種“環(huán)境感知化”的結(jié)果供人腦認(rèn)識(shí)船舶周圍環(huán)境.在航行環(huán)境仿真中，根據(jù)地形、船舶等模型驅(qū)動(dòng)而改變的數(shù)據(jù)通過可視化展現(xiàn)，使用人員通過人機(jī)交互感知周圍環(huán)境［1］，見圖1.

2 虛擬航行環(huán)境系統(tǒng)的組成和功能

船舶航行時(shí)駕駛員最關(guān)注船舶周圍的地形、助航設(shè)施、氣象條件以及與其他船舶的會(huì)遇態(tài)勢等與航行安全相關(guān)的因素.因此，虛擬航行環(huán)境應(yīng)包括：三維地形；實(shí)體模型，如人文地理環(huán)境、船舶、助航設(shè)施和碼頭及其附屬設(shè)備等；水文氣象，如云、霧、雨、雪和晝夜變化等.此外，為逼真表現(xiàn)特定區(qū)域的自然情況，還應(yīng)包括煙霧與火災(zāi)等特殊效果，用于船舶的應(yīng)急演練、航行過程的記錄和回放以及訓(xùn)練結(jié)果的評估等模塊.

通過分析航行環(huán)境仿真的功能要求，結(jié)合湄洲灣LNG船舶監(jiān)管方案設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)的實(shí)踐，采用ArcGIS和Creator處理地形數(shù)據(jù)和構(gòu)建三維地形，采用Creator作為三維實(shí)體模型創(chuàng)建工具，實(shí)現(xiàn)船舶、助航設(shè)施、碼頭及其附屬設(shè)施以及岸上建筑物等三維模型的創(chuàng)建；采用Vega作為場景驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)場景顯示、船舶漫游、視點(diǎn)控制、對象拾取、碰撞檢測與特效顯示等操作和控制.通過虛擬航行環(huán)境的可視化仿真，可以逼真模擬以陸地、島嶼、岸基、海面、碼頭和助航設(shè)施等各種要素組成的三維海域虛擬環(huán)境，以及白天、夜晚、能見度不良或不同級別風(fēng)浪等復(fù)雜海況下船舶周圍不同的環(huán)境，直觀、形象、全面地把周圍景觀和助航設(shè)施表現(xiàn)出來，并提供基于空間特征和屬性特征的信息查詢、距離度量、報(bào)警實(shí)時(shí)響應(yīng)以及綜合監(jiān)控等功能.［2］

3 航行環(huán)境可視化仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 三維地形的生成

三維地形可視化是現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)地形的再現(xiàn)，真實(shí)度高，必須采用具體數(shù)據(jù)構(gòu)造.地形的生成多采用數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）建立地形的網(wǎng)格模型，然后通過紋理映射與光照等技術(shù)，再現(xiàn)真實(shí)地貌，見圖2.

DEM數(shù)據(jù)可以從多方面獲取，如電子海圖或掃描的紙質(zhì)海圖，經(jīng)過Photoshop和ArcGIS等工具處理和轉(zhuǎn)換得到，通過航拍圖片或衛(wèi)星圖片獲取的高程數(shù)據(jù)可以為地形模型的建立提供詳細(xì)信息，是生成DEM的重要數(shù)據(jù)源.

數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括兩方面內(nèi)容：(1)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分割.大規(guī)模的地形可覆蓋范圍較大，生成地形的三角形數(shù)目可達(dá)幾十萬甚至數(shù)百萬個(gè)，因此，不能一次性將所有的地形數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存，而是根據(jù)實(shí)際情況將大地形分為若干個(gè)小地形，再分塊操作，以保證顯示的流暢.(2)對數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行修正.數(shù)據(jù)采集的方法不同，其精度和可靠性也不同.同時(shí)，由于數(shù)據(jù)采集誤差、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)的信息損失以及技術(shù)處理誤差等原因，原始數(shù)據(jù)不可避免地包含各種誤差和錯(cuò)誤，因此，必須進(jìn)行查錯(cuò)和相應(yīng)的處理.具體方法是對建立的初步模型和實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，查看與實(shí)際地形地貌的差異.一般存在的問題主要包括等高線出現(xiàn)斷線、某些位置缺少高程點(diǎn)和邊界輪廓沒有界限這3點(diǎn)，相應(yīng)的處理策略是根據(jù)原始數(shù)據(jù)添加一些控制點(diǎn)，連接斷線和手工添加邊界等.

用Creator加載處理過的數(shù)據(jù)就可轉(zhuǎn)化為三維地形，再進(jìn)行紋理和細(xì)節(jié)層次（Levels of Detail, LOD）處理，生成真實(shí)感的三維可視化地形.圖3為實(shí)際生成的湄洲灣三維效果.

3.2 實(shí)體建模

實(shí)體的幾何建模技術(shù)是航行環(huán)境可視化仿真中最重要的內(nèi)容之一，其研究對象是物體幾何信息的表示與處理，涉及表示幾何信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的構(gòu)造與操作該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法.虛擬航行環(huán)境中的每個(gè)物體包含形狀和外觀2個(gè)方面，物體的形狀由構(gòu)成物體的各個(gè)多邊形、三角形和頂點(diǎn)等確定；物體的外觀由表面紋理、顏色、光照因數(shù)等確定.物體形狀的細(xì)節(jié)層次由構(gòu)成物體的多邊形數(shù)量決定.物體的外觀特征是表面反射屬性和表面紋理，表面反射需要考慮光源的位置和類型；紋理能增強(qiáng)物體的細(xì)節(jié)層次和真實(shí)感，也能提供三維空間感，且顯著減少物體需要的多邊形數(shù)目，提高顯示刷新率.圖4為制作的散貨船三維模型.［5］

3.3 運(yùn)用多重層次細(xì)節(jié)

虛擬航行環(huán)境運(yùn)行是否流暢的重要標(biāo)準(zhǔn)是人機(jī)交互響應(yīng)的能力.當(dāng)交互響應(yīng)達(dá)到實(shí)時(shí)時(shí)，視覺上表現(xiàn)為場景隨交互過程而連續(xù)平滑地變化；當(dāng)交互響應(yīng)有明顯延時(shí)時(shí)，視覺上表現(xiàn)為場景的停滯和抖動(dòng)變化.因此，影響交互能力除系統(tǒng)硬件對場景數(shù)據(jù)處理和顯示的性能外，還與場景的數(shù)據(jù)量有關(guān).在建構(gòu)虛擬航行環(huán)境系統(tǒng)時(shí)，要充分考慮場景的數(shù)量.在航行環(huán)境仿真中，參與可視化處理的場景數(shù)據(jù)包括三維地形、實(shí)體模型、煙火特效以及聲效等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量龐大，為實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)交互顯示，在保證航行環(huán)境顯示細(xì)節(jié)的前提下，必須使參與實(shí)時(shí)處理的場景數(shù)據(jù)最少，以保證交互響應(yīng)的效率.

LOD是1組代表三維模型數(shù)據(jù)庫中同一物體具有不同細(xì)節(jié)程度的模型對象，不同細(xì)節(jié)程度版本模型的多邊形復(fù)雜程度也不一樣，細(xì)節(jié)程度越高的模型對象所包含的多邊形數(shù)量也越多.在可視化仿真運(yùn)行過程中，系統(tǒng)以當(dāng)前視點(diǎn)到所包含區(qū)域中心點(diǎn)距離作為切換依據(jù)，對場景中的不同物體或物體的不同部分，采用不同的細(xì)節(jié)描述方式.在繪制場景中的物體時(shí)，根據(jù)視點(diǎn)遠(yuǎn)近選擇“粗糙”或“精細(xì)”的模型來減少場景的幾何復(fù)雜性，優(yōu)化總的顯示面數(shù)，減少實(shí)時(shí)渲染的開銷，有效增加仿真系統(tǒng)的繪制效率與視覺效果.［3-4］在航行環(huán)境仿真中，三維模型的LOD有2個(gè)層次：第1個(gè)層次針對整個(gè)場景，在距離當(dāng)前視點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方，較小的物體如房屋、碼頭上的低矮建筑物以及船舶等不在場景中顯示，同時(shí)，遠(yuǎn)處的山脈、島嶼和大的建筑物，采用“粗糙”的、細(xì)節(jié)程度不高的模型在場景中繪制；第2個(gè)層次針對單個(gè)的三維模型，在場景的不同LOD階段使用適當(dāng)細(xì)節(jié)程度的模型繪制.

3.4 場景數(shù)據(jù)管理和驅(qū)動(dòng)

在可視化仿真系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)當(dāng)前的視點(diǎn)位置，連續(xù)在模型數(shù)據(jù)庫中搜索當(dāng)前可見的三維模型，將其實(shí)時(shí)渲染.判斷當(dāng)前視點(diǎn)下場景中三維模型對象可見的標(biāo)準(zhǔn)是看三維模型是否落在當(dāng)前視點(diǎn)的觀測體有效范圍內(nèi)，即系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)庫中所有組節(jié)點(diǎn)是否與觀測體相交，如果不相交，組節(jié)點(diǎn)及其子節(jié)點(diǎn)會(huì)在當(dāng)前幀被剔除，這些節(jié)點(diǎn)也就不會(huì)渲染在場景中.［3］在航行環(huán)境場景數(shù)據(jù)的管理中，采用空間結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)，即根據(jù)三維模型對象在場景中的具體位置組織數(shù)據(jù)，場景中所有三維物體都按照其真實(shí)的空間位置進(jìn)行分組.使用這種場景數(shù)據(jù)管理方式，系統(tǒng)可以快速判斷哪些區(qū)域在當(dāng)前的可視范圍內(nèi).由于按照空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分組可以組節(jié)點(diǎn)為單位進(jìn)行可見性判斷，不用遍歷不可見的其他三維模型，系統(tǒng)處理速度提高.

Vega是美國Multigen Paradim公司用于虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)視景仿真及其他可視化領(lǐng)域的應(yīng)用軟件工具，將易用的工具和高級仿真功能巧妙結(jié)合，使用戶以簡單的操作迅速創(chuàng)建、編輯和運(yùn)行復(fù)雜的仿真應(yīng)用程序；Visual C++ 6．0的MFC包含強(qiáng)大的窗口和事件管理函數(shù)，成為Vega的主要工作平臺(tái).系統(tǒng)采用Visual C++ 6．0與Vega實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真程序設(shè)計(jì).圖5為湄洲灣首艘LNG船舶“SERIALAM”實(shí)際靠泊與湄洲灣LNG船舶監(jiān)管方案設(shè)計(jì)三維仿真系統(tǒng)運(yùn)行效果對比.

4 結(jié) 論

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和虛擬航行訓(xùn)練對環(huán)境仿真效果要求的不斷提高，航行環(huán)境可視化仿真仍有許多關(guān)鍵技術(shù)有待研發(fā)，特別是三維場景的逼真度和大規(guī)模場景的實(shí)時(shí)渲染有待進(jìn)一步提高.依據(jù)虛擬航行環(huán)境的組成和功能要求，開發(fā)湄洲灣LNG船舶監(jiān)管方案三維仿真系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用表明符合需求，為LNG船舶監(jiān)管方案的制定和優(yōu)化提供科學(xué)的輔助支持.

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(編輯 陳鋒杰)