船舶工程虛擬現(xiàn)實應(yīng)用平臺建設(shè)及研究

黃凱旋

(集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

1 船舶工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶設(shè)計、虛擬模擬器、系統(tǒng)仿真及控制研究越來越多地受到關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于船舶工程、制造業(yè)、生產(chǎn)前的產(chǎn)品及工作過程展示、遠程教育等。船舶工程虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一個較大的體系，學(xué)科交叉性大，涉及的應(yīng)用范圍廣。在虛擬現(xiàn)實中，嶄新的人機交互工作方式，將大大提高工作效率，讓用戶更直觀、更準確地實現(xiàn)操作意圖[1，5]。

由于船舶機艙設(shè)備繁多、空間布置緊密、視景雜亂、圖像制作困難，使輪機模擬器至今與機艙視景無緣，只有推進裝置運轉(zhuǎn)工況參數(shù)的儀表指示仿真和報警顯示。除儀表控制臺(物理模型)之外，在操縱程序訓(xùn)練中看不見機艙實物，只是依靠操作手柄或按鈕實現(xiàn)相應(yīng)的運轉(zhuǎn)工況參數(shù)及聲音的模擬，以此設(shè)置各種故障時運轉(zhuǎn)工況參數(shù)的變化以訓(xùn)練判斷故障的能力，因此在視景方面明顯落后于其他載運工具操縱模擬器。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，采用虛擬現(xiàn)實、多媒體、三維動態(tài)仿真、漫游等實現(xiàn)機艙動感視景的技術(shù)條件已經(jīng)成熟[3-4]。目前在船舶工程虛擬現(xiàn)實應(yīng)用研究方面，國內(nèi)外還沒有形成完整的體系，處于將半物理仿真的模擬平臺向虛擬化轉(zhuǎn)化的階段[2]。本文以船舶工程虛擬現(xiàn)實開發(fā)與應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)過程為背景，論述技術(shù)與應(yīng)用問題及其解決辦法。

2 船舶工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

船舶工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建設(shè)的目的是為船舶工程的教學(xué)、科研和生產(chǎn)應(yīng)用服務(wù)的，該系統(tǒng)必須具備以下的功能要求：(1)從教學(xué)目的考慮，系統(tǒng)必須具備全船的虛擬漫游，在漫游中通過交互設(shè)備實現(xiàn)對船舶設(shè)備(主要為機艙設(shè)備)虛擬操作，這些虛擬操作必須能夠使其他相關(guān)設(shè)備聯(lián)動響應(yīng)，實現(xiàn)設(shè)備或機器的虛擬拆卸和裝配，以滿足設(shè)備結(jié)構(gòu)教學(xué)和實操教學(xué)需要。(2)從科研目的考慮，系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備或機器進行虛擬設(shè)計、虛擬實驗或虛擬演示，實現(xiàn)制造前設(shè)備的工作過程預(yù)演和測試。(3)從生產(chǎn)應(yīng)用需要考慮，可提供虛擬船舶設(shè)計、運行和試驗，也可提供船舶設(shè)備相關(guān)產(chǎn)品的虛擬設(shè)計、生產(chǎn)、修改和運行過程演示，可進行設(shè)備或產(chǎn)品的虛擬設(shè)計、修改，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的零投入。

為此，對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能設(shè)計提出如下要求：

(1)虛擬輪機機艙(虛擬輪機模擬器)、虛擬船體、虛擬漫游、虛擬操作；

(2)設(shè)備或機器的虛擬拆裝；

(3)虛擬設(shè)計、協(xié)同設(shè)計；

(4)利用多終端及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計；

(5)虛擬實驗、進程演示；

(6)模型或數(shù)據(jù)庫建設(shè)。

3 船舶工程虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)中的問題和解決方案

3.1 中心計算機選型存在的問題

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心設(shè)施是高性能工作站或程序、圖像處理設(shè)備，其主要問題是設(shè)備的選型和配置。中心計算機一般為高性能的專業(yè)圖形工作站(對于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng))或?qū)I(yè)的大型并行計算機系統(tǒng)(對于海量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))，通常從系統(tǒng)的實時性(速度)、圖形處理能力、數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)學(xué)計算能力幾方面考慮。

大型圖形圖像和數(shù)據(jù)處理的設(shè)備有2種，(1)美國SGI公司的超級可視化計算機系統(tǒng)SGI系列；(2)PC集群系列。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要處理海量仿真圖形圖像數(shù)據(jù)，并且要求必須實時處理，即同時處理的數(shù)據(jù)量大，實時性要求高?？v觀目前計算機市場，只有第1種情況符合。SGI系列計算機內(nèi)的CPU數(shù)量根據(jù)需要配置可達幾百個，內(nèi)存的配置也可達幾十或上百GB。內(nèi)存的使用也是其他所有計算機所不能比擬的，由于其采用Numaflex體系結(jié)構(gòu)專利技術(shù)，對于SGI內(nèi)任何 CPU來說，所有的內(nèi)存都可使用，這是其他集群系列所遠不能比的，對于圖形的并行處理、實時性和圖形圖像等數(shù)據(jù)輸出通道有足夠保證。PC集群機雖然也可以由幾十臺或上百臺組成，但其對圖形的快速實時性方面卻遠不如SGI。原因之一是其單個CPU所能使用的內(nèi)存有限，因此處理的數(shù)據(jù)量受到限制；原因之二是其輸出只有某一通道，對于圖形數(shù)據(jù)量太大、實時性要求高的系統(tǒng)難以實現(xiàn)。但如果圖形數(shù)據(jù)量小、實時性要求不高時，采用集群方式會節(jié)省很大成本。部分圖形工作站的比較可參閱表1。

表1 部分圖形工作站比較

3.2 軟件的集成應(yīng)用存在的問題

應(yīng)用軟件主要包括三維仿真建模、視景仿真驅(qū)動、系統(tǒng)建模等高端軟件，聲音模擬、動畫設(shè)計、實體設(shè)計等低端應(yīng)用軟件。對于虛擬現(xiàn)實的大型系統(tǒng)，必須聯(lián)合多種軟件共同應(yīng)用。為了協(xié)調(diào)不同軟件之間設(shè)計的互通問題，達到共同完成虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的對象，根據(jù)應(yīng)用情況，集成本項目應(yīng)用系統(tǒng)所需軟件：VegaPrime、Multigen Creator、CAXA、Pro/Engineer、Solidwork、3D MAX 等。低端部分可多人同時進行設(shè)計或建模的軟件有：CAXA、Pro/Engineer、Solidwork。模型設(shè)計后由高端調(diào)用，如圖 1所示。經(jīng)研究和調(diào)試，獲得了一些有參考價值的結(jié)果。

圖1 軟件協(xié)同應(yīng)用

(1)Creator可通過中間插件Polytrans與主要CAD軟件進行數(shù)據(jù)交換，可轉(zhuǎn)換的格式主要有 Iges、Dxf、3DMAX等。Pro/E、UGS、CATIA是傳統(tǒng)的高端 CAD/CAE/CAM一體化軟件，與常用的CAD/CAE/CAM軟件之間有通用或?qū)Ｓ玫臄?shù)據(jù)接口。

(2)各種CAD軟件只有通過權(quán)威組織制定的接口標(biāo)準，才能進行數(shù)據(jù)交換，其中通用的數(shù)據(jù)接口主要有：

IGES：基本圖形轉(zhuǎn)換標(biāo)準Initial Graphics Exchange Standard，大部分CAD軟件都采用此規(guī)范。

STEP：STEP的ISO正式代號為ISO 10303，是關(guān)于產(chǎn)品數(shù)據(jù)計算機表示和交換的國際標(biāo)準。目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，并能夠描述產(chǎn)品整個生命周期中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

ACIS：用于保存關(guān)于實體對象信息的實體造型文件格式，該文件的后綴為*.sat。

x_t/x_b：即Parasolid內(nèi)核文件，UG、Solidworks、Solidedge 等 軟 件 均以Parasolid為核心。內(nèi)核文件能最大程度地避免數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)錯誤。

STL：用于有限元分析，大多數(shù)有限元軟件支持該文件的輸入；大多數(shù)三維CAD軟件支持該文件的輸出。

DWG、DXF：AutoCAD 軟 件 的文件格式，可用于跨平臺數(shù)據(jù)交互。三維CAD軟件與AutoCAD之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，需要在轉(zhuǎn)換之前進行DWG輸入輸出配置。且三維軟件與AutoCAD之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，只限于工程圖和草圖。兩種軟件可以通過格式或中間軟件互相調(diào)用各自的設(shè)計模型，然而在實際應(yīng)用中，任意兩種軟件間的模型調(diào)用均會產(chǎn)生模型信息的丟失或失真，因此就要在模型調(diào)用后進行人工修補。船舶工程虛擬現(xiàn)實應(yīng)用平臺用于船舶虛擬仿真，其功能如上所述。所需要處理的設(shè)備模型非常巨大，船舶制造業(yè)主流專業(yè)軟件是Tribon與CADDS 5，目前他們之間尚無任何的數(shù)據(jù)接口，而如何將上述其他模型設(shè)計軟件設(shè)計的設(shè)備模型結(jié)合船舶主流軟件形成虛擬船舶，也將是后續(xù)的許多課題需要研究的。

3.3 軟件模型及數(shù)據(jù)庫建設(shè)

在解決了高端大型軟硬件系統(tǒng)后，該船舶工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠虛擬整條船舶的相關(guān)工作過程，實時性好。在其后的應(yīng)用中，研發(fā)各種設(shè)備模型或數(shù)據(jù)庫就顯得尤為重要：(1)這些產(chǎn)品之間必須能夠兼容，特別是各種應(yīng)用性的數(shù)據(jù)模型必須能夠連接到系統(tǒng)的主體軟件(或虛擬設(shè)計平臺)上，而不是封閉型的傻瓜式應(yīng)用系統(tǒng)，目前銷售的很多虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品(如虛擬輪機模擬器模型、船體模型、各種機艙設(shè)備模型等)大都是封閉型的數(shù)據(jù)模型。(2)應(yīng)該考慮這些數(shù)據(jù)模型是否提供二次開發(fā)功能，是否提供用戶使用的接口功能，即產(chǎn)品的接口代碼是否對用戶開放，產(chǎn)品的原碼是否可適當(dāng)修改。(3)對于不同低端應(yīng)用軟件，組成開放性的協(xié)同設(shè)計體系，設(shè)計結(jié)果可相互使用或轉(zhuǎn)換，能夠大大擴展虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用。

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