虚拟环境的船舶驾驶系统

虚拟环境的船舶驾驶系统

一、主题构想：

《模拟航船2010》( Ship Simulator2010) ——多投影面环幕虚拟仿真的船舶驾驶系统

1、立意

我们生活在北方，每天，当晨曦即将滑过长夜之际，大地是如此的神秘和静谧。而那对于大海和船，只是觉得好美的字眼、熟悉而又陌生的感觉……而航海生涯更是多少男人与女人的梦想，大海总是能给我们带来许多神秘感和向往！本设计就是通过虚拟仿真的船舶驾驶的形式，让人们和大海有亲密接触，让你在陆地上“开船”。严格来说这并不是为娱乐性而设计的模拟游戏，而算是一个船舶驾驶训练模拟程式。在这里提供最真实的驾船环境，来让各位实地执行操控，引航，等工作，并利用各种导航工具如GPS来帮助各位顺利到达目的地，才算是一个成功的驾驶人员。此外程式支援滑鼠，键盘及摇捍，人们以使用最适合自己的操控方式来进入驾船的领域，享受开船的乐趣，何乐而不为呢。

2、目的

综合利用了先进的计算机图形学、虚拟现实技术、自动控制理论、视觉仿真技术、人体工程学基于计算机平台构造出了一个具有高度真实感和实时性的虚拟现实系统。该系统结构先进、功能齐备、运行稳定，仿真环境具有高度的真实感和实时性，是船舶仿真研究、培训、娱乐的理想平台，具有广阔的市场前景和应用推广价值。

3、方式

是一款全新的模拟船舶驾驶系统。人们将身任舵手，在惊涛骇浪中驾驶各种不同的航船，其中包括巨型货轮、油轮、拖船、豪华的游艇等八种类型，甚至还有一款“泰坦尼克号”，你在一个虚拟环境中将面对各种问题，并不停地解决问题，人们将深切感受到各种船只的操控性。

4、期待结果

结合视觉仿真技术与人体工程学方面的知识，在模拟船舶驾驶系统中的应用，可以给真正热爱游艇驾驶乐趣的朋友无限欣喜，希望是fans最爱吧。

二、市场调研

1、同类主题性分析

（1）虚拟现实技术概述

近年来，随着计算机、信息等高科技的迅猛发展，虚拟现实技术(Virtual

Reality)在工程领域(如汽车制造，虚拟社区等)、教育领域(如方程不定解，化合物分子结构显示等)、娱乐领域(如电脑太空旅游、3D动感游戏等)、医疗领域(如远程医疗，远程诊断等)和商业领域(如虚拟网上商城和产品动态展示等)等得到了越来越广泛的应用。虚拟现实技术不仅是信息领域科技工作者和产业界的研究、开发和应用的热点，而且也是多种媒体竟相报道的热点。

虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境，通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使用入的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件，同时提供视觉、听觉、触觉等直观而又自然的实时感知，并使参与者“沉浸”于模拟环境中。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的虚拟现实环境应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官．传感设备是指三维交互设备。常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置，如摄像机、地板压力传感器、交互等。

（2）虚拟现实技术的广泛应用

目前，虚拟现实技术己在娱乐、医疗、工程与建筑、教育与培训、科学和金融可视化等方面获得了广泛的应用，并有着良好的发展前景。

1)工程领域：虚拟环境下激发设计人员的想象力和创造力，设计过程直观、无需物理样机，大大缩短生产周期，节约成本，如波音777；虚拟社区、虚拟城市展示、房地产、城市规划等。

图1虚拟海上作战系统图2多投影面环幕虚拟城市展示

2)教育领域：在科技研究，虚拟教学、虚拟实验等方面应用广泛。人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等应用，使学习过程更加丰富，从而能

更形象地获取知识，激发想象力、提高学习兴趣。

3)商业领域：虚拟网上商城和产品动态展示等为现代电子商务提供了更方便有效的途径。虚拟演播室的发展在更好的传递信息的同时，也产生了很大的经济效益。

4)娱乐领域：逼真的虚拟环境，以及各种交互手段的应用，给与用户很强的感官刺激，使人们能够享受其中的乐趣，带来更好的娱乐感受。

5)高难度和危险环境下的作业训练：如医疗手术训练的VR系统和对哈勃太空望远镜维修的地面训练等。

2、可行性分析

提及互动娱乐，除了传统的互动娱乐产业，人们首先想到的是网络游戏。网络游戏对娱乐的参与者来说依然是被动的，他的操作只是在程序员制定范围之内的"互动"，同时参与者不但不能身临其境的沉浸于作品，也无法依照自己的意愿对作品进行改变或创造。

而虚拟现实不仅有实时的、逼真的、高解像度的场景，而且有一套复杂的交互感应设备，以此来实现人与环境的现实融合，并通过最自然的操作来完成输入输出，使场景更加逼真，自身能够参与互动，人们通过在这个由各种现实世界的复制品或者是纯粹幻想构建起来的世界里，通过语环境产生的互动，获得酷似真实的体验。

利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以根据随时生成新的设备。教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。同时，虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。由于虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。

多投影面环幕虚拟环境的船舶驾驶系统为虚拟现人机自然实交互技术的研究提供了一个很好的平台，并且其在娱乐和体育领域都有着广泛的应用前景，也为一种新型的娱乐方式提供一个具有实际应用价值的构想和思路。例如：在虚拟的驾驶船训练系统中，学员可以反复操作控制设备，控制一艘那么大的船在港口里航行需要点技巧和耐心的，何况在转弯和航行时还需要注意躲避过往船只，注意力要高度集中。学员们通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。同时也能体会“驾船”的快乐。

因此，多投影面环幕虚拟环境的船舶驾驶系统的研究是一个可行的并且十分有意义的课题方向。实现这二者的结合将构成一个完整的具有沉浸感、交互性的

虚拟现实系统。在此基础上再进一步进行复杂虚拟场景的构建，力反馈、位置反馈、触觉反馈等交互方式的研究和虚拟装配的研究等将能够实现更为全面和完善的虚拟现实系统，也为今后的研究工作和应用推广打下了一个良好的基础和铺垫。

3、技术分析

多投影面沉浸式虚拟环境是一种能够为用户提供宽视场角，高分辨率、高质量三维立体图像的具有高度沉浸感和良好交互性的支持多用户的虚拟现实系统。随着基于PC的多通道显示系统的出现，整个系统的造价大大降低，此类系统日渐受到广泛的关注和应用。多通道大屏幕立体显示系统在虚拟样机工程、产品展示、教育培训、系统仿真和娱乐等领域展露出了强大的应用潜力。

该系统主要由投影系统、图形生成系统、网络通信模块、中央控制系统以及交互系统这五部分组成。交互船只是属于交互系统的一部分。实现该系统的虚拟漫游系统后，参与者将可以通过驾船的方式漫游虚拟场景，与虚拟世界产生交互，实现了交互形式的多样化，丰富了交互手段。

多投影面环幕虚拟环境的航船系统具有以下特点：

●环幕立体显示，由5通道拼接，多个通道同步显示图像；

●2200宽视场角演示环境，视场角宽，沉浸感好；

●各个通道显示分辨率达到1024×768；

●采用偏振光立体显示技术，使观察者获得较强的沉浸感；

●基于PC的显示系统，成本低廉，易于维护与升级。

为了使大型环幕显示系统展现出逼真流畅的场景画面，让用户通过特定的交互方式体验身临其境般的沉浸感，系统必须能够实时生成高质量的场景画面。

其中的关键技术包括：

一、各通道画面间(曲面)的无缝拼接、几何校正。多通道系统用于显示同一场景时，各通道画面应彼此衔接，形成浑然一体的显示效果，给参与者一种自然流畅的宽视场角的视觉感受。因此，多通道系统的底层支持软件必须提供通道自动配置功能，实现各通道视场角的无缝拼接和几何校正；

二、通道阃的边缘融合。为了使各个通道衔接自然，我们在进行视锥划分时各通道的画面有一些重叠，反应在实际中各个通道的衔接处会有来自两台甚至多台投影机的覆盖，从而形成一道“亮缝”。所以在多通道系统的底层支持软件必须能够利用提供边缘融合的功能，消除通道间的亮缝；

三、各通道间画面运动同步。多通道系统在显示运动场景时，各通道画面的运动必须彼此同步，以实现协调一致的显示效果。为此，多通道系统的底层支持

软件必须提供各通道运行的画面帧同步机制；

四、多通道画面的颜色均衡。多通道系统用于显示同一场景时，多个投影器的颜色、亮度不一致会导致宽视场角画面的分片分段，使整体画面沉浸感不强。因此，多通道系统的底层支持软件必须提供通道间显示画面的颜色一致性调整和亮度均衡功能，以保证整个场景的亮度均衡、颜色一致。

三、策划及脚本描述

1、作品内容：

（1）以虚拟现实技术为基础，综合运用了传感器技术、DSP控制技术、三维建模技术，采用了多线程，非阻塞的数据实时通讯技术，并通过立体显示等多通道交互技术实现了人在虚拟环境中的漫游。

（2）使参与者感受到与场景一致的航海的感觉，使参与者在由计算机构造的虚拟场景中获得了类似在真实环境中驾驶船的体验。

（3）具有完善的综合导航、自动操船、自动避碰、丰富的图形界面，实现船舶航行的自动化，提高了航行的安全性、经济性和有效性。

2、执行过程：

（1）Creator和Vega简介

Multigen Creator是一个高度专业化的工具。它具有：仿真的画面是“实时”生成；仿真具有高度的交互性优势；仿真的帧频率一般是变化的优势；此外它还涉及OpenFliht模型数据库LOD、DOF等关键技术等等。

Vega是用于实时视觉模拟和虚拟现实应用的软件。Vega面向非程序员的开发工具，一方面它通过建模软件Muhigen Creator生成场景中各种实体(OpenFlight格式)，极大地减少建模的工作量，另一方面它通过图形用户界面Lnyx生成应用定义文件(ADF)，通过C或者C++API函数来驱动场景中的物体，简化了视景系统的开发过程，缩短了开发时间，降低了对开发人员的要求。同时Vega还提供了一些模块用于某些特定领域的仿真如海洋模块、雷达模块、特殊效果模块等。

（2）建模流程

将AutoCAD所建好的模型经过图形格式的转化，导人Creator软件平台中，并在其上进行船舶模型的再造，建立虚拟人的模型，将建立修改好的模型导人Vega的图形式用户界面Lynx，然后利用VC++并结合Vega程序设计，建立应用程序，实现视觉仿真。

3、媒体及材料

（1）媒体：经过图像处理生成真实的全景图像，然后通过合适的空间模型把多

幅全景图像组织为虚拟实景空间，用户在这个空间中可以前进、后退、环视、仰视、俯视、近看、远看等操作，从而实现全方位三维场景漫游的效果。

（2）材料：a.器械：投影仪；全景图像生成器；空间编辑器；跟踪器；数据手套；操纵杆；力反馈设备；键盘鼠标；品牌电脑；罗技杆以及立体声音像设备等。

b.软件：Creator软件； Vega软件；

四、设计草图

1、原理图

图3总体投影示意图图4 设计草图

五、方案实施

1、参加人数：一个人也可以操作；多个人也可以操作

2、参加方式：海事部门船员培训；大中院校或中等职业技术船舶学校（针对学生的教育）；喜欢娱乐游戏的人（针对所有人）；想学船舶驾驶技术的人

六、关键技术问题及解决方案

1、技术问题：

多年来，视觉仿真需要专用的图形硬件和昂贵的开发软件，软件还需许多付费的附加模块和在每台机器上的运行版本费用，这阻碍了视觉仿真的大面积推广和复合大系统的搭建。此虚拟环境的航船系统包括声音效果、特殊效果、实时模型库、高保真的地形数据库，以及其它视觉仿真所需的附加工具。

2、解决方案：

多投影面环幕虚拟环境的船舶驾驶系统开发环境：

硬件环境：CCS2000程序仿真调试环境、C、windows 2000／XP。

软件环境：0penGL图形库，Visual C++，vTree4．O，Vega，Multigen creator 运行环境：Windows 2000／xP。

在良好的技术支持下，参与者便可以漫游在由计算机营造的虚拟环境中。逼真的三维图象，较好的人机交互特性，使游戏者仿佛身临其境。

在单机上实现航船虚拟漫游的主要依托技术包括：

三维实体、环境建模技术；

计算机三维图象实时生成技术；

数据实时传输技术；

动感／力感生成技术等；

在环境建模方面，我们采用三维几何建模技术，强调美工效果，天空、建筑物、街道甚至一些细小的人文景观都力求逼真自然。在环境的实时渲染方面，重点突出环境自然属性的渲染，主要包括：

光照效果(如日光、阴影等)；

场景声音(背景音乐，自然声响等)；

时间属性(白昼、黄昏、夜晚)；

天气情况(阴，多云、晴空)；

自然现象(两，雪，雷电等)；

通过这些效果的综合渲染，呈现给人们的是一幅逼真、自然的画面。

虚拟现实的呈现使观看者亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，融入其中的互动性，沉浸感，这与观看者主动地去交互与被动的观看，有质的差别。

此虚拟环境的船舶驾驶系统既满足海事部门船员培训、实操考试、水工评估、海事分析研究等多项工作需求，又充分体现虚拟世界的魅力，具有很强的人机交互性。

让驾引人员在较短的培训或考试时间内，遭遇各种不同的航行和操作情景，如夜航、遇雾航行、大风浪、受它船干扰状况下航行，既有效降低船员培训和实操考试成本，保证实操考试的公正性，又提高船员学习考试效率和操船水平，积累复杂通航环境下处理危机事件的经验。

七、项目实施计划

1、具体展出地点及其布置

（1）地点：海事部门船员培训；大中院校或中等职业技术船舶学校（针对学生的教育）；展览馆或科技馆（针对所有人）；船舶驾驶基地；

（2）布置：

场景布置主要遵循简洁的风格，避免影响参与者的思虑，灯光设置尽量避免产生眩光，以突出主灯光，便于参与者观察。

2、时间节点

时间进度一个月（30天）

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策划选址

装修

购置设备

安装设备

调试

总结：

船舶驾驶仿真营造出类似于实际船舶驾驶舱的真实环境。人们从驾驶台向前看到的海面的情况实际是投影机投射的模拟视景，所听到的船舱的各种声音如机器噪声、汽笛声实际是计算机音箱发出的。当人们在驾驶台进行操作时，所看到的视景也根据情况发生变化。就象船员在实际驾船上所感觉到的一样,学习船舶专业的同学（船员）在这种操纵中能获得类似于实船操纵的经验。

船舶驾驶仿真的关键就是仿真的真实性。一是各项数据模型的准确性，就是当人们进行操纵时，船舶航向航速等的变化要非常接近于真实船舶的情况，否则船员就此获得的错误经验不仅无助于他日后在实际船舶上驾驶工作，反而具有相当的危害。二是仿真环境的真实性，就是人们在模拟驾驶舱所得到的感受尽量逼近真实情况。同时也是一种娱乐的互动游戏——让真正热爱游艇驾驶乐趣的朋友无限欣喜！