基于VR技術的船舶艙室方案設計新體驗

鄒燕歆 周澤麟 傅卓琳 張紅偉 徐 晶

（江南造船（集團）有限責任公司 上海201913）

0 引 言

目前我國船舶工業(yè)已基本實現從船舶方案論證到生產設計全面采用數字化的目標，形成了全船在船、機、電、舾和內裝五大專業(yè)的全三維設計能力，提供制造所需要的幾何信息和加工信息，指導生產建造與管理，縮減設計周期。但在整個船舶設計建造過程中發(fā)現，因方案設計修改而導致的生產建造返工情況屢見不鮮，特別是在現今船東要求基于安全、經濟、效率以及注重以人為本的船舶舒適性訴求方面，船舶艙室方案的更迭愈發(fā)頻繁。

傳統的船舶艙室設計是以迭代的設計方式進行的，其前期基于合同的要求及船東的意見進行圖紙設計，船東依據設計出的圖紙及相關規(guī)范提出初步意見；而在建造后期評審過程中，仍會進一步提出修改要求，從而可能導致設計周期大幅延長，增加改單量，造成設計建造成本的升高。為此，如何能在艙室設計過程中將用戶提出的需求和方案進行預演，同時利用新科技把空間體驗融入設計建造中，從源頭上減少設計更改、提升設計效率、增強用戶體驗，是當前亟待解決的問題。［1］

1 船舶VR艙室方案設計應用實踐

1.1 船舶VR艙室方案設計的提出

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術是一項利用計算機建立模擬環(huán)境，以VR頭盔為典型輸出設備，構建具有三維高度沉浸感虛擬世界的技術［2］。現今，VR技術已越來越廣泛地運用于各領域。在船舶領域中，因VR技術具備高度的沉浸性和交互性，在設備運維、應急消防、艙室居住體驗等與人機工程和人因工程相關領域中均有應用前景。

目前，液化氣船是江南造船承接的主力船型，其居住空間較小，用戶對艙室舒適度要求高。為設計建造更為舒適的船舶艙室，減少船東后期意見并提高交付效率，項目組選取某型液化氣船艙室進行VR方案設計。

1.2 業(yè)務邏輯

VR交互漫游在船舶艙室設計中的應用實踐將從源頭改變其方案評審模式，用VR評審替代原有的三維建模評審，提出相關設計意見，整體流程如圖1所示。

圖1 VR綜合評審流程

下文將從3個方面闡述船舶VR艙室方案設計及其應用效果。

1.3 環(huán)境構建

船舶艙室VR環(huán)境構建是基于三維模型，結合VR技術，在不降低模型畫質的條件下，使三維場景的刷新速度和用戶視點變化的速度保持一致，實時生成虛擬場景。另外，為避免出現掉幀造成VR眩暈，還需對船舶艙室VR環(huán)境中使用的三維模型及場景進行輕量化處理。

（1）模型環(huán)境構建

選取的艙室模型為船舶生產設計模型，采用1 : 1比例構建，保證了數據源的唯一性。船舶生產設計模型主要以b-rep方式構建，需要將其轉化為VR所需的網格模型；此外，為盡可能降低模型面數以提高VR顯示幀率，需使用去孔、重鑲嵌等多種網格拓撲優(yōu)化功能。待模型處理完成后，應從軟件中將場景模型以后綴名為.FBX的格式輸出，導入VR開發(fā)平臺中，根據母型船或船東前期要求對模型材質進行敷設，敷設過程如圖2所示。

圖2 FBX模型導入虛擬現實開發(fā)平臺

（2）光環(huán)境設置

為構建與真實情況一樣的光環(huán)境效果，同時減輕VR渲染壓力，需要對模型進行光照貼圖。首先根據設計方案布置光源，設置光強、色溫、飽和度以及反彈次數等參數值，對環(huán)境信息進行預計算并生成貼圖，檢查是否達到所需的光效要求。

1.4 功能開發(fā)與實現

在業(yè)務初期階段，梳理用戶需求，同時對各業(yè)務需求中所需的功能進行開發(fā)。

1.4.1 需求分析

（1）制定多種內裝色彩方案

在船舶建造過程中，船東通常需要設計人員為其提供多種風格的不同艙室色彩方案供其選擇。在傳統的船舶艙室設計方式中，船廠一般會通過搭建實體樣艙或提供靜態(tài)效果渲染圖供船東評審。但由于樣板艙的搭建成本高，重用性低，而靜態(tài)效果渲染圖無法使船東基于真實體驗提出準確意見，故需要引入VR技術以提供足夠逼真的艙室環(huán)境效果，使船東在VR環(huán)境中對艙室中各類軟裝材質進行全方位的觀察，配合實際燈光以快速確定色彩方案。

（2）空間布局方案

在有限的艙室環(huán)境中，船東對于軟裝家具等物品的空間布局需要設計人員結合其喜好及需求來確定。為使船東在設計階段盡早確定符合其生活、工作需求的軟裝布置環(huán)境，需要應用中具備各類布局方案快速切換功能，以供船東選擇。

（3）艙室環(huán)境交互

在傳統艙室設計中難以充分考慮環(huán)境交互的友好性，如需要對邊角位置等一些狹小區(qū)域的物體考慮抓取移動的便利性，又如門窗是否可正常開合。上述情境無法在普通三維設計的靜態(tài)環(huán)境中進行判斷，以致后期此類問題形成的改單較多，而VR環(huán)境中具備動態(tài)交互的功能可滿足上述需求。

1.4.2 功能開發(fā)

為艙室方案設計提供更真實的體驗，項目組選擇手勢識別作為交互的方式，其中設備選取了目前領域較為領先的手勢控制器（Leap Motion），此設備是基于雙目攝像頭追蹤手指關節(jié)以進行手勢識別的，不同的手勢可通過開發(fā)實現不同功能的觸發(fā)，本應用中主要交互功能均將基于此開發(fā)實現。整個開發(fā)使用C#為主要開發(fā)語言。

基于分析出的運用需求，項目組開發(fā)了如下功能：

（1）角色移動

人機交互的重要方式之一是通過動態(tài)手勢實現非接觸式的交互及控制。為了讓場景中的物體在VR環(huán)境下可自由交互，在工程環(huán)境中導入Leap Motion開發(fā)插件，在此技術上進行相應的二次開發(fā)，具體如下：在場景中設置一個角色控制器，對控制器始終添加向下重力作用，編寫一個方法控制角色移動，同時對手指進行設置，規(guī)定相應的固定手勢代表前進和后退。在此基礎上，創(chuàng)建一個方法判斷控制器是否接觸到碰撞體，當角色控制器碰到碰撞體，則停止移動，未碰撞則繼續(xù)執(zhí)行當前動作。用戶佩戴VR顯示終端，通過Leap Motion識別器識別規(guī)定的移動手勢，如圖3所示，即可觸發(fā)所開發(fā)的移動功能代碼，驅動角色在場景中移動。

圖3 VR環(huán)境中Leap Motion雙手模型

（2）材質切換

為使船東在設計前期盡早確定軟裝材質并形成訂購清單，需要在VR環(huán)境中添加材質切換功能。功能開發(fā)流程如下：首先對不同類型家具設置不同UI層級，將待更換材質的家具歸類到對應層級；其次，編寫材質切換方法，通過獲取手勢觸碰到的物體層級屬性，利用循環(huán)遍歷層級內所有模型，再設定通過UI按鈕觸發(fā)材質切換。實現代碼如圖4所示。

圖4 數組循環(huán)遍歷

（3）開關門交互

為對所設計柜門、房門和窗戶等開合類家裝能否正常打開進行預判，需開發(fā)相應交互功能，流程如下：首先在柜子模型的基礎上設置碰撞體，創(chuàng)建SetTarget（）方法獲取目標碰撞體，如圖5所示；其次，對模型設置剛體，并設定其旋轉慣量、質量以及阻尼系數等物理屬性，確保與實際環(huán)境足夠接近，并對柜門進行鉸鏈設置，以使柜門始終沿著某一軸轉動；最后，在此基礎上設置交互代碼，通過手勢識別出抓取動作，并通過關聯手與門的位置實現開關門窗交互，以檢查各類型門開合的狀態(tài)是否良好。

圖5 方法創(chuàng)建

（4）開關燈交互

為有效判斷不同開關燈按鈕位置的布置設計是否合理，項目組進行了開關燈交互功能開發(fā)，開發(fā)邏輯如下：在開關燈轉換器上設置新按鈕，對其進行碰撞體設置；使用SetActive（）方法控制燈光開關，通過手與開關的碰撞檢測觸發(fā)燈光開閉。

（5）物體抓取

為使用戶在VR環(huán)境中對物體進行體驗式交互，特對此進行相應的功能開發(fā)，開發(fā)流程如下：對所需交互的物體設置碰撞體，當用戶與物體接觸碰撞，使用WaitForSeconds（）方法在接觸后的規(guī)定時間內顯示觸碰提醒，如圖6所示； 在此基礎上，根據不同物體現實場景中的交互方式，自主設置物體交互自由度與角度，并選擇所需交互模式（懸浮、觸碰、抓取），用戶即可用所選擇的模式對相應物體進行交互。

圖 6 物體碰撞檢測

（6）自定義布局

自定義布局功能開發(fā)具體如下：首先建立組以存放需要更換位置方案的物體對象；再創(chuàng)建一個數組用以存放物體終點位置。當物體要切換至另一布局方案時，點擊相應的UI界面，調用此方法。利用循環(huán)遍歷物體組，將不同方案下的不同物體的終點位置進行賦值（如圖7所示），物體會轉移到方案設定的位置，實現自定義布局。

圖 7 位置切換

1.5 效果實現

基于上述功能開發(fā)，在具體場景中的效果實現如下。

1.5.1 方案切換

（1）材質方案設計

通過前期開發(fā)的個性化材質切換功能，用戶佩戴VR顯示終端進行體驗，在VR環(huán)境中使用Leap Motion手勢對物體進行交互，通過UI界面，選擇所需材質，觸發(fā)相應功能完成材質切換（如圖8所示），VR環(huán)境中的用戶可全方位查看所選擇的材質方案效果。（2）模式切換

圖8 材質方案切換

人因工程對用戶的心理產生的影響不可忽視，為最大限度獲得用戶對船舶艙室真實的反饋與意見，通過前期開發(fā)實現模式切換和軟裝布置模式切換功能，以增強虛擬環(huán)境的真實體驗感［3］。用戶可根據不同場景自由選擇，例如休憩模式下可選擇播放白噪聲為背景的自然音，休閑娛樂狀態(tài)下可選擇播放輕松舒緩的休閑音樂。此外，所開發(fā)的軟裝布置模式切換功能可使用戶快速查看不同情境下的家具布置效果。如圖9所示。

圖9 模式切換

在上述不同模式中動態(tài)切換可使用戶在VR環(huán)境下快速體驗不同模式下的真實感受，在強化生理沉浸的同時提升心理沉浸感，增強環(huán)境信息的滲透［4］，以便于其準確提出更多體驗式相關的改進意見，這是僅通過觀察三維模型無法實現的。

1.5.2 體驗式交互反饋

體驗式交互是基于VR技術設計新體驗的核心，它打破機械間冰冷交流，使人機之間產生更融洽和諧的交互［5］。通過開發(fā)，用戶即可在VR環(huán)境中進行自主體驗交互，對設計的合理性進行判斷并提出在傳統三維設計過程中無法發(fā)現的問題：

（1）空間可達性

對于不同艙室空間設計大小是否合適，在三維漫游中只能進行簡單測量，無法基于人的體驗進行合理調整，人機交互性差。在VR環(huán)境中使用角色移動與自定義布局功能，在艙室模型環(huán)境構建相應的碰撞體組件，模擬用戶在艙室環(huán)境中按照現實業(yè)務需求移動至對應區(qū)域，如此可輔助用戶對空間可達性進行合理判斷，以確定其設計是否合適。

（2）布局合理性

在艙室布置設計中，軟裝布局方案主要由用戶主觀意識所決定。通過VR交互，在虛擬環(huán)境中模擬真實場景需進行的操作（如行李箱推拉、桌子移動、常用物品的抓放等），操作者可根據自身肢體執(zhí)行對應操作的舒適程度對物體的空間布置進行合理性預判。

（3）物體操作性

相較于三維漫游無法對設計的物體是否具有可操作性進行判斷，用戶在VR環(huán)境中可通過Leap Motion手勢操作環(huán)境中的虛擬物體（圖10所示，如放置在角落里的儲物柜），通過手勢操作柜門的開啟與關閉，判斷其開合是否存在阻擋，減少后期需返工重新修改設計的可能性。

圖10 VR環(huán)境下物體交互

通過在虛擬環(huán)境中對設計在書柜下的房間燈光開關控制器進行開關操作，判斷其設計位置是否合適，在真實環(huán)境中是否具有良好的操作性，在設計前期即可對其進行具體的考量。

1.6 對比與分析

通過將所開發(fā)應用進行局部艙室區(qū)域測試，傳統艙室方案設計與VR交互式方案設計具體對比情況如表1所示。

表 1 傳統設計方法與VR交互式方案設計比較

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通過上述比較可見VR交互式方案設計優(yōu)勢明顯：首先，相較于傳統設計方法中僅通過鼠標鍵盤進行模型旋轉縮放的查看方式，VR技術可更方便地查看艙室模型中包括狹小空間的內外部所有區(qū)域；在評審環(huán)節(jié)，用VR評審相較傳統模型查看的評審方式更易發(fā)現體驗性及設計細節(jié)方面的問題，相較需要搭建實體樣艙的評審方式節(jié)約了大量建造物料成本、人力成本及時間成本。

2 結 語

本文基于VR技術構建了船舶艙室VR方案設計應用，將數字化體驗式設計應用于船舶艙室方案設計，以第一人稱視角實時展示全船各艙室的虛擬設計三維場景，通過物體碰撞交互、材質任意切換、音效添加等多種交互功能構建互動體驗，為船東提供多種艙室設計方案。與常規(guī)三維漫游設計方案相比，VR艙室方案設計具有環(huán)境逼真、沉浸感強、針對性高等特點，方便用戶在建造前對不同設計方案進行快速切換，使其更早、更快且更準確地提出方案設計中的相關意見。如此不僅降低了設計成本，也使船舶艙室設計效果實現甚至超越客戶預期。

“VR+船舶”的船舶設計模式，是對傳統的船舶設計進行創(chuàng)新，對傳統造船業(yè)基礎進行變革，其沉浸性與先行性也將應用于船舶各相關配套環(huán)境下，如船艙火災應急演練、船舶內部維修維護培訓和船舶內部最優(yōu)路徑選擇等。上述創(chuàng)新與變革的落地，將使我國數字造船技術邁上新的臺階，推進我國數字造船的進一步發(fā)展。