航海類專業(yè)船舶虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)

張如凱， 陳永利， 代廣樹， 吳澤亮

(天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院 航海技術(shù)系， 天津 300350)

0 引 言

航海技術(shù)專業(yè)主要培養(yǎng)符合國家教育方針和國際國內(nèi)相關(guān)法規(guī)、綜合素質(zhì)好、安全與環(huán)保意識強(qiáng)，具有國際競爭能力的高級航海技術(shù)人才[1]，教學(xué)內(nèi)容與工作實(shí)際銜接緊密，教學(xué)過程既是學(xué)歷教育又是技能培訓(xùn)。相比于以英國為代表的因船設(shè)校的航海類專業(yè)教育模式，我國高職類院校普遍采用的先在校學(xué)習(xí)、獲得學(xué)位，然后上船工作的模式，使得教學(xué)過程和實(shí)船環(huán)境脫離。因?qū)W院不具備教學(xué)實(shí)習(xí)船，學(xué)院的教學(xué)器材一般均按功能分類陳設(shè)和管理，不能體現(xiàn)設(shè)備之間的系統(tǒng)性和依存性，所以當(dāng)教學(xué)內(nèi)容涉及船舶整體布置和設(shè)備之間的相互影響等內(nèi)容時，現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)條件就不能滿足教學(xué)要求。

現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航海教學(xué)中的應(yīng)用重點(diǎn)在培訓(xùn)學(xué)生對避碰規(guī)則的運(yùn)用和對船舶操縱性能的認(rèn)識，而關(guān)于船舶結(jié)構(gòu)、設(shè)備工作原理和各部件間的相互影響等相關(guān)內(nèi)容的研究尚處于探索階段[2-3]。為了給學(xué)生提供一個接近實(shí)船的教學(xué)環(huán)境，利用虛擬仿真技術(shù)建立虛擬船舶實(shí)驗(yàn)室，并將運(yùn)用顯卡虛擬化技術(shù)搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)平臺，以達(dá)到降低教學(xué)難度、提高教學(xué)質(zhì)量、節(jié)省教學(xué)成本和提高危險操作安全系數(shù)的目的。

虛擬船舶實(shí)訓(xùn)平臺的核心內(nèi)容是船舶結(jié)構(gòu)模型，為了降低硬件要求，在能保證教學(xué)需求的前提下，盡可能做到模型簡化，因此選擇MultigenCreator[4]用于創(chuàng)建視景仿真的實(shí)時三維模型。創(chuàng)建好的模型可通過Unity3D[5-7]引擎驅(qū)動，并可通過VR頭盔進(jìn)行呈現(xiàn)，以提高虛擬環(huán)境的沉浸感。顯卡虛擬化技術(shù)[8-9]可將虛擬船舶實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓展，實(shí)現(xiàn)在任意的PC端或移動端進(jìn)行交互操作。

虛擬船舶實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)不僅讓學(xué)生了解、參與、領(lǐng)會在船工作的所有內(nèi)容，有效培養(yǎng)現(xiàn)代化航海所必需的基本技能，而且將學(xué)習(xí)內(nèi)容完全融入船舶安全航行的全過程，直觀地為學(xué)生構(gòu)建了一個身臨其境的船舶仿真環(huán)境，解決了學(xué)生理論實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確的問題，也有限的彌補(bǔ)了學(xué)校不能為學(xué)生提供足夠多的機(jī)會赴實(shí)船學(xué)習(xí)實(shí)踐的不足。

1 側(cè)重功能的VR實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)指導(dǎo)

VR實(shí)訓(xùn)平臺以虛擬船舶為載體，將教學(xué)內(nèi)容與船舶實(shí)際相統(tǒng)一，相融合。每項(xiàng)實(shí)訓(xùn)代表實(shí)際工作的一個重要環(huán)節(jié)或一項(xiàng)獨(dú)立活動。所有內(nèi)容劃分合理而目標(biāo)統(tǒng)一。

為了保證虛擬船舶結(jié)構(gòu)的合理性和完整性，虛擬實(shí)驗(yàn)室不但要能實(shí)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)的直觀展現(xiàn)，使使用者能體驗(yàn)登船和甲板行走的過程，還要保證結(jié)構(gòu)合理，完整體現(xiàn)具體設(shè)備與其它船舶部件的位置關(guān)系和關(guān)聯(lián)性。為了展現(xiàn)船舶的多自由度運(yùn)動特性，必須為船舶創(chuàng)建適當(dāng)?shù)乃颦h(huán)境。為了滿足教學(xué)需求，還必須為體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)獨(dú)特的視角。為了解決場地對虛擬實(shí)驗(yàn)室利用率的限制，應(yīng)該構(gòu)建虛擬船舶實(shí)訓(xùn)平臺，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的并行使用。

2 虛擬船舶實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)

2.1 基于Multigencreator創(chuàng)建模型

Multigencreator是專門用于創(chuàng)建視景仿真的實(shí)時三維模型的軟件包。能高效、最優(yōu)化地生成實(shí)時三維(RT3D)數(shù)據(jù)庫，并與后續(xù)的實(shí)時仿真軟件緊密結(jié)合，有利于節(jié)約圖形工作站的繪制開銷，保障系統(tǒng)的流暢性和多終端共享體驗(yàn)。

(1) 資料收集。Multigencreator建模所需的主要資料包括船舶主要位置的坐標(biāo)值和紋理圖。因?yàn)榇皩儆诔笮瓦\(yùn)輸工具，故外形數(shù)據(jù)不方便通過測量直接獲取。船舶外形主要位置坐標(biāo)值由DWG格式的船舶設(shè)計(jì)圖導(dǎo)入。鑒于船舶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)導(dǎo)入需要分步完成。導(dǎo)入過程中，先將船舶各層甲板與不同的高程值對應(yīng)，在保證各層甲板邊緣連續(xù)的前提下，去掉多余的坐標(biāo)信息。在將DWG格式的船舶各層甲板邊緣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為AutoCAD的交換數(shù)據(jù)格式DXF后，再使用Global Mapper轉(zhuǎn)換成USGS DEM格式的美國國家標(biāo)準(zhǔn)的地形文件，便可使用Creator的DED-BUILDER插件制作出船舶主甲板上的船舶外形[10-11]。主甲板下的船舶外形可用相同的方法，由船舶型線值轉(zhuǎn)化得到。

紋理貼圖可通過實(shí)船拍攝的方式獲取。平面圖和結(jié)構(gòu)圖應(yīng)采用不同的拍攝方式，平面盡可能采用背光、斜向拍攝；結(jié)構(gòu)圖應(yīng)該選擇能突出結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的角度拍攝。

(2) 模型搭建。在前期通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入獲取船舶框架后，可通過實(shí)地測量獲取船舶結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和設(shè)備實(shí)體的尺寸，船舶結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和設(shè)備實(shí)體應(yīng)盡可能與實(shí)船相符，在需要體現(xiàn)細(xì)節(jié)的位置(如：羅經(jīng)花等)，可根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整。

在將紋理貼圖導(dǎo)入Multigencreator前，應(yīng)將紋理貼圖運(yùn)用Photoshop圖形處理軟件進(jìn)行處理。一方面消除紋理貼圖拍攝時點(diǎn)光源和明暗度對圖片的影響；另一方面需要將圖片進(jìn)行拉伸裁剪，保證圖片的寬度和高度都應(yīng)該是2的冪，同時將拍攝的圖片保持為RGBA格式[4,12]。

(3) 模型驅(qū)動。Multigencreator生成的OpenFlight格式的三維模型文件能夠被很多專業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件包調(diào)用。若僅僅處理OpenFlight格式的三維模型文件，VEGA Prime將是最好的選擇，鑒于模型中需考慮船舶和海浪的相互作用，以及虛擬船舶實(shí)訓(xùn)平臺的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需求，故選擇具有豐富的開發(fā)工具、開發(fā)速度快、支持多平臺程序發(fā)布的Unity3D作為視景引擎進(jìn)行驅(qū)動。

(4) 波浪系統(tǒng)。雖然Unity3D提供了許多水面渲染和水波特效的工具，但其主要側(cè)重視覺效果，與具體海區(qū)的波浪特性并不存在對應(yīng)關(guān)系。為了保證仿真精度，船舶所處的海洋環(huán)境可通過波譜生成單向的隨機(jī)波的方式獲取[13]。

不規(guī)則波由不同振幅和相位的規(guī)則波疊加得到，其波傾角表示為：

(1)

式中：Nw為用于不規(guī)則波合成的規(guī)則波數(shù)，取值300；g為重力加速度；φi為一隨機(jī)數(shù);ωi為波浪頻率，可表示為：

(2)

波升αi可表示為:

(3)

式中:δω表示取頻率為ωi處波譜值的波浪頻段長度;δω值取0.01。

波浪譜Swave(ωi)采用第15屆國際拖曳實(shí)驗(yàn)水池會議(ITTC)推薦的如下雙參數(shù)譜[14]公式計(jì)算。

(4)

式中:

(5)

(6)

式中:H1/3為有義波高;T01為平均波浪周期。

2.2 頭盔漫游

為提供更高沉浸感的視覺體驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室配備了10副HTC-VIVE商業(yè)版3D頭盔虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，構(gòu)建了基于Unity3D 和HTC-VIVE的虛擬船舶實(shí)訓(xùn)室[15]。在實(shí)訓(xùn)室內(nèi)HTC-VIVE商業(yè)版配備的手柄設(shè)備結(jié)合頭盔，體驗(yàn)者能夠通過自己的肢體動作和瞬間移動來與虛擬場景中的船舶展開交互，既增強(qiáng)了沉浸感，又增加了學(xué)習(xí)過程的趣味性。

2.3 多平臺開發(fā)

海員可謂標(biāo)準(zhǔn)的“藍(lán)領(lǐng)”，每位海員必須從“基層”水手做起，航海人才培養(yǎng)講求傳幫帶，講求工匠精神，海員培養(yǎng)階段，更注重實(shí)踐的每個環(huán)節(jié)。為了使學(xué)生把理論和實(shí)踐結(jié)合起來，應(yīng)在學(xué)生預(yù)習(xí)、集中授課、課后復(fù)習(xí)、實(shí)訓(xùn)見習(xí)等各個環(huán)節(jié)為學(xué)生提供更多的接觸船舶的機(jī)會[16]。在“互聯(lián)網(wǎng)+”已成為國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略的新時期，虛擬船舶實(shí)訓(xùn)平臺將成為航海類院校“互聯(lián)網(wǎng)+航?！睂?shí)訓(xùn)體系構(gòu)建不可缺的重要組成部分，并滲透到理論教學(xué)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，輔助“互聯(lián)網(wǎng)+航?！睂?shí)訓(xùn)體系尋求解決航海教育質(zhì)量下降和教學(xué)與人才需求相脫節(jié)的問題的方法，以及實(shí)現(xiàn)航海實(shí)時教育和終身教育的方法[17]。

虛擬船舶實(shí)訓(xùn)平臺借助互聯(lián)網(wǎng)和虛擬顯卡技術(shù)，可突破實(shí)體教學(xué)設(shè)備的空間限制。在包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的任何教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師均可利用任意的PC機(jī)與虛擬實(shí)訓(xùn)平臺互動，進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)演示等簡單的操作。同時學(xué)員利用智能手機(jī)在移動端亦可完成與虛擬船舶的交互。

圖1 虛擬實(shí)訓(xùn)平臺及應(yīng)用示意圖

3 VR實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用實(shí)例

為了保證虛擬船舶實(shí)訓(xùn)平臺功能的完整性，使模型建設(shè)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，虛擬船舶模型中船體模型、駕駛臺和船尾將作為模型建設(shè)的重點(diǎn)。

(1) 船體模型?？蓪?shí)現(xiàn)船舶的整體展現(xiàn)，方便船體結(jié)構(gòu)解析和船舶區(qū)域劃分，方便于宏觀了解船舶。同時為其他功能性虛擬設(shè)備的開發(fā)平臺，以及進(jìn)行船舶求生、船舶消防、艇筏操作、拋起錨、貨物操作等深度開發(fā)的工作基礎(chǔ)和行為載體。

圖2 虛擬船舶外景圖

(2) 虛擬駕駛臺。駕駛臺作為甲板部船員工作的主要場所，是內(nèi)部通訊設(shè)備、外部通訊設(shè)備、導(dǎo)航儀器、遇險報警設(shè)備、氣象設(shè)備、與機(jī)艙連接的操縱設(shè)備和其它必備設(shè)備的安放和存儲場所，空間相對狹小，而相關(guān)設(shè)備安放必須符合相關(guān)規(guī)定要求。VR實(shí)驗(yàn)室可以靈活的方式描述相關(guān)設(shè)施設(shè)備的安置情況，可直觀體現(xiàn)各船舶結(jié)構(gòu)對設(shè)施設(shè)備的影響，提供實(shí)船觀測不能實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特視角。

圖3 虛擬駕駛臺獨(dú)特視角觀測圖

(3) 虛擬船尾。螺旋槳位于水下，將實(shí)船螺旋槳工作場景應(yīng)用于教學(xué)并非易事，現(xiàn)有相關(guān)資源主要是通過動畫模擬或?qū)嵈臄z等途徑獲取，兩種形式的教學(xué)資源都不能實(shí)現(xiàn)全方位多角度觀測，同時視頻效果還會因水下環(huán)境，影響其清晰度。利用虛擬建模技術(shù)即可呈現(xiàn)船體-螺旋槳-舵之間的依附關(guān)系。借助Unity3D的粒子系統(tǒng)(ParticleSystem)可實(shí)現(xiàn)直觀動態(tài)表現(xiàn)在船體-螺旋槳-舵的共同作用下船舶尾部的水流情況，可用于形象生動的講述舵的工作原理、螺旋槳致偏效應(yīng)以及船體對船舶保向性的影響等晦澀難懂的教學(xué)內(nèi)容。

圖4 路徑分明的倒車排出流示意圖

4 結(jié) 語

以教學(xué)需求為指導(dǎo)，利用Multigen creator 完成船體及船舶設(shè)備建模，由Unity3D進(jìn)行視景驅(qū)動。借助Unity3D跨平臺支持的特點(diǎn)，分別完成PC端和移動端程序設(shè)計(jì)，搭建互聯(lián)網(wǎng)+航海的VR實(shí)訓(xùn)平臺。

VR實(shí)驗(yàn)室是為彌補(bǔ)全面、真實(shí)的教學(xué)環(huán)境缺失而搭建的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，VR技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的引入，也使得VR實(shí)訓(xùn)室成為教學(xué)條件完善、教學(xué)內(nèi)容深度拓展的實(shí)驗(yàn)平臺。VR實(shí)訓(xùn)室將在教學(xué)、科研和社會服務(wù)方面發(fā)揮其作用。