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

摘要:船舶航行環(huán)境模擬器是一個面向船員訓(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程的海洋、光照等動態(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程中的周圍環(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)的核心是利用計算機的數(shù)據(jù)處理能力，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建一種虛擬場景，為用戶提供一種具有交互性的環(huán)境。近年來，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發(fā)成為一項熱點研究[1]。本文開發(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，介紹了航行環(huán)境模擬平臺的基本構(gòu)成，對平臺的環(huán)境模擬原理進行了詳細的研究，包括三維建模、GPU程序開發(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)進步。

1船舶航行環(huán)境模擬平臺的整體設(shè)計

船舶航行環(huán)境模擬平臺的開發(fā)目的是為用戶提供一個模擬視景，用戶在操作模擬平臺時，視景環(huán)境會隨著平臺操作發(fā)生變化，從而提高用戶的訓(xùn)練體驗。本文建立的船舶航行環(huán)境模擬平臺包括主控機、多自由度運動平臺、測量平臺、數(shù)據(jù)采集平臺和太陽模擬器等，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。船舶航行環(huán)境模擬平臺具備的功能包括：1）多自由度運動控制功能模擬平臺為了能夠模擬船舶操作過程的運動特性，在搭建模擬平臺時采用了六自由度運動平臺，可以模擬船舶運動過程的前進、后退、橫搖、縱搖、垂蕩等運動形式。模擬平臺的運動參數(shù)設(shè)置包括經(jīng)緯度、運動姿態(tài)、航行速度等，用戶可以根據(jù)訓(xùn)練需求進行模擬平臺的運動控制。2）三維顯示功能三維顯示功能是指船舶航行模擬平臺的視景環(huán)境是一個三維環(huán)境，隨著用戶對模擬平臺的運動控制，用戶面對的主控機和顯示器內(nèi)容會隨之發(fā)生變化，形成一種動態(tài)的三維場景。虛擬平臺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)建模擬平臺的虛擬場景。3）操作和狀態(tài)記錄功能用戶在使用該航行模擬器進行訓(xùn)練時，需要進行操作記錄和系統(tǒng)的狀態(tài)記錄，以便于后期對訓(xùn)練過程進行歸納總結(jié)。系統(tǒng)的狀態(tài)信息主要是指船舶模型的運動姿態(tài)信息，這些信息統(tǒng)一存儲在模擬平臺的數(shù)據(jù)庫中。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)通過數(shù)據(jù)打包的方式發(fā)送至計算機網(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軟件具有強大的模型渲染功能，可以實現(xiàn)逼真而豐富的局部細節(jié)，一般在進行精細化建模時采用3DMAX軟件；MultigenCreator在大型場景建模方面更有優(yōu)勢，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種虛擬場景的三維建模，分別是機艙駕駛室內(nèi)景建模和航行環(huán)境外景建模。1）機艙駕駛室內(nèi)景建模為了提高受訓(xùn)人員的實際操作體驗，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，建模時首先對實際場景進行拍攝，同時對駕駛室中的設(shè)備外型尺寸進行測量，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、線、面組成，不同于駕駛室內(nèi)景設(shè)備的一比一建模，大型場景的三維建模采用的是數(shù)據(jù)點直接生成曲面，再由曲面生成三維模型的過程。這些離散的數(shù)據(jù)點稱為場景的DEM高程數(shù)據(jù)點[3]，是由衛(wèi)星、水文探測器等設(shè)備采集而來的。此外，航行環(huán)境模擬器的外景模型還需要通過線性插值法進行優(yōu)化，在MultigenCreator軟件中可實現(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)在動畫、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)境模擬器的主控機中。

2.3基于OSG的航行環(huán)境模擬器引擎開發(fā)

OSG三維引擎[5]是一種底層的圖像應(yīng)用庫，支持跨平臺的開發(fā)，內(nèi)部集成了三維視景開發(fā)所需的多種圖1船舶航行環(huán)境模擬平臺整體組成圖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，開發(fā)過程如下：步驟1　多自由平臺搭建采用多自由度運動平臺和主控機配合，形成具有多自由度的船舶模型運動平臺。步驟2　OSG三維引擎驅(qū)動設(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)建層集成了模型開發(fā)所需的工具及接口；交互層負責模型的裝配、渲染。步驟3　場景建模使用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。可知，航行環(huán)境模擬器的近景為駕駛室操作臺，局部細節(jié)模型真實還原了駕駛室操作臺的實際設(shè)備；遠景為船體、海浪、天空等場景，隨著船舶航行環(huán)境模擬器的運動，周圍三維視景不斷進行變化。

3結(jié)論

海上航行環(huán)境模擬器的作用是為受訓(xùn)用戶提供一個真實、交互性良好的虛擬平臺，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)境模擬器的開發(fā)，并詳細介紹了環(huán)境模擬器的開發(fā)流程及關(guān)鍵技術(shù)細節(jié)，包括GPU圖像渲染、MultigenCreator軟件三維建模等。

參考文獻：

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[3]王曉宇.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的分布式三維室內(nèi)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2019,42(539):191–194.

[4]朱江,時圣軍.綜合自然環(huán)境建模與仿真技術(shù)在訓(xùn)練模擬器中的應(yīng)用[J].飛機工程,2008(3):71–75.

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