翟小明，尹 勇，任鴻翔

(大連海事大學(xué) 航海動態(tài)仿真與控制實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116026)

0 引 言

內(nèi)河航運(yùn)是現(xiàn)代綜合運(yùn)輸體系中重要組成部分，它是連接內(nèi)陸腹地與沿海地區(qū)的紐帶，在運(yùn)輸和集散進(jìn)出口貨物中起著重要的作用[1]。內(nèi)河航運(yùn)的空前發(fā)展對內(nèi)河航運(yùn)人才的要求越來越高，亟待建立一支高素質(zhì)的內(nèi)河船員隊伍保障內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展。為確保內(nèi)河船員隊伍高速度、高質(zhì)量發(fā)展，交通運(yùn)輸部海事局2007年下發(fā)了《中華人民共和國內(nèi)河船舶船員實(shí)際操作考試辦法》，其中第二十一條規(guī)定“經(jīng)主管機(jī)關(guān)認(rèn)可，考試發(fā)證機(jī)關(guān)可采用模擬器開展實(shí)際操作考試”；2015年交通運(yùn)輸部通過了《中華人民共和國內(nèi)河船舶船員適任考試和發(fā)證規(guī)則》(交通運(yùn)輸部令2015年第21號)，在文件中第三章第二十五條明確規(guī)定：“實(shí)際操作考試應(yīng)當(dāng)通過對相應(yīng)船舶、模擬器或者其他設(shè)備的操作等方式，對內(nèi)河船舶船員專業(yè)知識綜合運(yùn)用、操作及應(yīng)急等能力進(jìn)行技能測評”；國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)在《STCW 78/95公約》和2010年最新修訂的STCW(International Convention on Standards of Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers)馬尼拉修正案中多次強(qiáng)調(diào)了船舶模擬器的作用，并就其在航海訓(xùn)練中的應(yīng)用做出了明確的強(qiáng)制性與建議性規(guī)定[2-4]。我國海事局也就該公約在《海船船員適任考試和評估大綱》以及“有關(guān)專業(yè)和特殊培訓(xùn)考試和評估大綱”中對強(qiáng)制性和非強(qiáng)制性模擬器訓(xùn)練提出了要求，這都為利用內(nèi)河船舶操縱模擬器進(jìn)行內(nèi)河船員實(shí)操培訓(xùn)和考試提供了依據(jù)。

船舶操縱模擬器已在航海教學(xué)和培訓(xùn)中發(fā)揮著積極和顯著的作用，針對內(nèi)河船員的培訓(xùn)與考試可利用內(nèi)河船舶操縱模擬器。內(nèi)河船舶操縱模擬器作為航海模擬器的一種，其開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)集中體現(xiàn)在行為真實(shí)感、環(huán)境真實(shí)感和物理真實(shí)感3方面。其中環(huán)境真實(shí)感主要由視景系統(tǒng)所確定，由于視覺可為人們提供70%以上的有用信息，因此視景系統(tǒng)是模擬器操縱者獲取信息的最直接、數(shù)量最大的來源，視景系統(tǒng)的好壞己成為評價航海模擬器成敗的關(guān)鍵[5]。內(nèi)河船舶操縱模擬器的視景系統(tǒng)應(yīng)具備如下特點(diǎn)：符合河水流動現(xiàn)象的仿真；滿足視景系統(tǒng)仿真實(shí)時性要求?，F(xiàn)有船舶操縱模擬器并不能完全適用于內(nèi)河船員培訓(xùn)，尤其是船舶模擬器的視景仿真系統(tǒng)環(huán)境真實(shí)感不夠真實(shí)，未體現(xiàn)河流流動效果[6]。筆者結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建高真實(shí)感的內(nèi)河船舶操縱模擬器視景仿真系統(tǒng)。

1 內(nèi)河船舶模擬器發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國外航海模擬器主要由挪威的KongsbergMaritime公司，英國Transas公司以及荷蘭VSTEP等商業(yè)性公司研制與開發(fā)。

2014年11月，Kongsberg Maritime公司為適應(yīng)將來更高級和綜合的航海仿真培訓(xùn)，推出新一代船橋模擬器，被命名為K-SIM NAVIGATION[7-8]。K-SIM NAVIGATION視景系統(tǒng)采用Kongsberg開發(fā)的第七代視景系統(tǒng)SeaView R5，該系統(tǒng)基于OpenSceneGraph(OSG)三維圖形引擎開發(fā)，以Multigen Creator作為建模軟件。K-SIM NAVIGATION以高級的物理引擎和先進(jìn)的水動力建模技術(shù)為特色，船舶、物體以及其他設(shè)備能像真實(shí)世界中一樣的體現(xiàn)和交互。視景系統(tǒng)的主要功能及特點(diǎn)有：SeaView R5視景系統(tǒng)可真實(shí)地體現(xiàn)船間、岸壁效應(yīng)并且能提供不同天氣狀況(晴天、多云)、不同海況(風(fēng)、浪、流)、不同時間(黎明、白天、夜晚)條件下的航行、操縱模擬；可真實(shí)地表現(xiàn)不同海況下的海面、深度可達(dá)16 m的三維海浪以及風(fēng)驅(qū)動下的白浪運(yùn)動。

2015年12月，英國船商公司為巴拉圭CAFyM中心安裝了該公司研發(fā)的最新航海操縱模擬器Navi-Trainer Professional 5000(NTPRO 5000)，這是船商公司首次為內(nèi)河航行培訓(xùn)機(jī)構(gòu)安裝船舶操縱模擬器，該模擬器主要用于在巴拉那—巴拉圭內(nèi)河航道上進(jìn)行拖輪操縱的船員培訓(xùn)[9]。TRANSAS為NTPRO 5000提供了一個全新的高度真實(shí)的視景系統(tǒng)，該視景系統(tǒng)展示全新的海面波紋，包括三維船首波、漂浮物體的干擾波、整個場景的折射、水面透明和光反射、白浪、泡沫及飛濺。NTPRO 5000也是第一個呈現(xiàn)動態(tài)陰影計算的航海模擬器，其冰區(qū)效果在視覺和運(yùn)動模型上都完全滿足DNV標(biāo)準(zhǔn)。場景中能顯示天空、三維云、雨雪等視景特效；視景的水平視場角可達(dá)到360°，能模擬各個時間段的天氣變化以及不同能見度的天氣情況。

VSTEP成立于2002年，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，其開發(fā)的航海模擬器通過DNV GL 最高等級A級別認(rèn)證，并滿足最新的STCW標(biāo)準(zhǔn)[10]。其核心產(chǎn)品NAUTIS航海模擬器配備了240°或者360°視景系統(tǒng)，可顯示不同時段、不同能見度、以及不同天氣的視景；性價比更高并開放接口方便用戶二次開發(fā)。

上述3家國外商業(yè)公司開發(fā)的最新航海模擬器都達(dá)到甚至超出STCW、DNV GL以及IMO Model course的標(biāo)準(zhǔn)，但從可查閱的資料分析，只有Transas公司為巴拉圭CAFyM中心安裝了一套NTPRO 5000航海模擬器用于內(nèi)河拖輪船員培訓(xùn)，該系列航海模擬器視景系統(tǒng)基于Seagull 6000開發(fā)，視景系統(tǒng)中的河水仍是基于海水建模方法生成。其他兩家都未提到關(guān)于內(nèi)河船舶操縱模擬器的視景研發(fā)。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代末，以“引進(jìn)、消化、自主研發(fā)”為基本路線，上海海事大學(xué)、大連海事大學(xué)、海軍大連艦艇學(xué)院以及武漢理工大學(xué)和集美大學(xué)等國內(nèi)相關(guān)高等航海院校開始研發(fā)航海模擬器，經(jīng)過多年發(fā)展，已取得重大突破[5]。

大連海事大學(xué)V.Dragon系列模擬器視景系統(tǒng)配備了360°視場角的投影，場景中主要有海面、陸地、碼頭及其重要設(shè)施、助航設(shè)施、典型建筑物、港區(qū)的城市背景、目標(biāo)船等；海面能隨風(fēng)向和風(fēng)力的作用做相應(yīng)的起伏運(yùn)動；能生成不同能見度等級的霧景；能模擬日晝的連續(xù)變化以及雨、雪等[11]；整個畫面的更新速度高于30幀/s。該模擬器的視景系統(tǒng)以較低的成本為操縱者提供了較逼真、具有一定沉浸感的虛擬海上訓(xùn)練環(huán)境。2010年后，大連海事大學(xué)在V.Dragon系列模擬器基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，先后為國內(nèi)多家航海院校及培訓(xùn)中心安裝用于船員培訓(xùn)的內(nèi)河船舶模擬器，但視景系統(tǒng)構(gòu)建仍基于原有船舶操縱模擬器的海水視景系統(tǒng)，并沒有針對內(nèi)河船舶操縱模擬器視景系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行建模和仿真，從發(fā)表的文獻(xiàn)來看，并未實(shí)現(xiàn)視景系統(tǒng)的建模與仿真[6]。

上海海事大學(xué)研制的綜合船舶操縱模擬器配備了較為完整的駕駛臺設(shè)備，具備雷達(dá)模擬器的全部功能[12]。該模擬器的視景系統(tǒng)配備12通道360度寬視場角大屏幕投影；場景管理采用Vega Prime平臺；可顯示白天與夜間及各種能見度的場景；可生成海浪并反映風(fēng)向、風(fēng)速的影響；可模擬船舶尾跡效果。2011年，上海海事大學(xué)為長江海事培訓(xùn)中心安裝了國內(nèi)第一套專門用于內(nèi)河船員培訓(xùn)、考試的內(nèi)河船舶模擬器。隨后，上海海事大學(xué)為國內(nèi)多家航海院校和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)安裝了內(nèi)河船舶模擬器，這些內(nèi)河船舶操縱模擬器的視景系統(tǒng)也是基于其原有的航海模擬器視景系統(tǒng)搭建，不足以體現(xiàn)內(nèi)河船舶操縱模擬器的視景系統(tǒng)環(huán)境真實(shí)感。

2 視景系統(tǒng)的建模

內(nèi)河船舶模擬器的河流視景具有場景模型豐富、場景尺度大、場景的環(huán)境真實(shí)感要求高等特點(diǎn)。場景模型主要包括：河流場景、地形場景、建筑物場景以及岸界其他場景。因此，搭建內(nèi)河船舶操縱模擬器視景系統(tǒng)首先要對場景模型建模，之后采用相關(guān)的可視化技術(shù)并選擇高效的三維渲染引擎進(jìn)行場景繪制。

2.1 河流視景模型的建模

內(nèi)河船舶操縱模擬器對仿真實(shí)時性有著較高的要求，視景的更新速率不低于30幀/s，河流視景在繪制過程中，每幀都需要與河流視景數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，因此良好的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)是內(nèi)河船舶模擬器運(yùn)行性能好壞的重要影響因素。內(nèi)河船舶模擬器河流視景的數(shù)據(jù)庫采用樹形層次結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將視景中各個對象定義為獨(dú)立的模塊，利于用戶管理和操作；同時樹形層次結(jié)構(gòu)也便于視景驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行讀取。

筆者針對河流視景模型的建模主要基于Multigen Creator軟件，Multigen Creator三維虛擬仿真建模軟件擁有針對實(shí)時應(yīng)用優(yōu)化的OpenFlight數(shù)據(jù)格式，強(qiáng)大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，以及多種專業(yè)選項(xiàng)及插件，能高效、最優(yōu)化地生成實(shí)時三維數(shù)據(jù)庫，并能與三維渲染程序良好結(jié)合，在視景仿真、模擬訓(xùn)練、城市仿真、交互式游戲及工程應(yīng)用、科學(xué)可視化等實(shí)時仿真領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用[13-16]。圖1為Multigen Creator創(chuàng)建視景數(shù)據(jù)庫的層次結(jié)構(gòu)。

圖1 Multigen Creator軟件的層次結(jié)構(gòu)Fig. 1 Hierarchical structure of Multigen Creator

Multigen Creator為用戶提供了內(nèi)嵌VegaPrime的建模環(huán)境，構(gòu)建三維河流視景等場景時，可實(shí)時、高效地編輯、管理多個模型，所見即所得的三維建模環(huán)境極大地提升了建模的效率和質(zhì)量。

2.2 河流場景模型LOD結(jié)構(gòu)

內(nèi)河船舶模擬器河流視景仿真系統(tǒng)中，包含了數(shù)百萬的模型。在河流視景仿真過程中，可利用GPU加速場景模型的繪制速度。但圖形顯示卡的內(nèi)存和計算能力有限，一旦加載過多的場景模型，并超出圖形顯卡的顯存或計算能力，仿真系統(tǒng)就會出現(xiàn)卡頓，即不能達(dá)到實(shí)時渲染。為提升內(nèi)河船舶模擬器河流視景仿真系統(tǒng)的實(shí)時性，可利用細(xì)節(jié)層次(Level of Detail,LOD)技術(shù)創(chuàng)建河流場景模型以及渲染河流視景。LOD技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的復(fù)雜三維場景表達(dá)技術(shù)之一，其基本思想是在不影響渲染外觀的前提下，根據(jù)實(shí)際情況選擇一種更為簡單的方式來表達(dá)要渲染的物體，減輕系統(tǒng)繪制場景的負(fù)擔(dān)。LOD技術(shù)使系統(tǒng)既能夠提供足夠的細(xì)節(jié)，又能保持相對較快速和穩(wěn)定的顯示。筆者選擇的Multigen Creator建模軟件在創(chuàng)景河流場景模型時，通過LOD技術(shù)可創(chuàng)建包含不同細(xì)節(jié)版本的模型，可在河流視景的實(shí)時系統(tǒng)多邊形預(yù)算范圍內(nèi)，有效地提升內(nèi)河船舶模擬器河流視景仿真系統(tǒng)的渲染速度和環(huán)境真實(shí)感。圖2為筆者構(gòu)建河流視景LOD時采用的Multigen Creator的嵌套結(jié)構(gòu)示意。

圖2 Multigen Creator嵌套結(jié)構(gòu)Fig. 2 Nested structure of Multigen Creator

2.3 河流流體運(yùn)動建模

河流作為內(nèi)河船舶模擬器視景系統(tǒng)的重要組成部分，其建模與仿真的結(jié)果直接影響內(nèi)河船舶操縱模擬器的環(huán)境真實(shí)感。筆者在進(jìn)行河流流體建模時，主要考慮河流流體的流動性特征，提出一種基于過程法構(gòu)建河流流體運(yùn)動模型。內(nèi)河船舶操縱模擬器視景系統(tǒng)中的河流流動具有一定的方向性，且受真實(shí)的岸界限制。因此，筆者提出利用流函數(shù)的性質(zhì)求解河流流動速度場。

流函數(shù)概念的提出是僅對不可壓縮流體的平面流動而言的[17]。不可壓縮流體做平面流動時必須滿足質(zhì)量守恒方程[18]：

(1)

平面流動的流線微分方程為

udy-vdx=0

(2)

式(2)是式(1)成為某一函數(shù)ψ(x,y)全微分的必要且充分條件，即

于是：

代入到式(2)，兩者之和等于0。ψ稱為流函數(shù)。

關(guān)于流函數(shù)，有兩個重要性質(zhì)：

1)沿同一流線流函數(shù)數(shù)值為常數(shù)，即ψ=C。

所以，通過任意曲線AB的流量：

圖3 流線與流量關(guān)系Fig. 3 Relationship between streamline and flow

2.4 河流流體運(yùn)動仿真

根據(jù)流函數(shù)基本理論介紹可知，在二維平面計算流體速度場時，流函數(shù)的導(dǎo)數(shù)即為速度矢量分量。筆者在仿真河流流體運(yùn)動過程中，利用該性質(zhì)以及河道的真實(shí)邊界構(gòu)建恰當(dāng)?shù)牧骱瘮?shù)，之后基于有限差分的方法求解河道內(nèi)各點(diǎn)的速度場。圖4是基本河道示意，其中Q為兩河道邊界流線間的單位體積流量；ψL為河道左邊界流線的流函數(shù)值；ψR為河道右邊界流線的流函數(shù)值。

圖4 河道示意Fig. 4 Sketch map of river channel

為測試算法的實(shí)用性，筆者選取內(nèi)河船舶模擬器中海道圖50000進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用的PC為：Intel Core 2 Duo CPU，2.8GHz，內(nèi)存3G，顯卡為NVIDIA GeForce GT 630。圖5為基于筆者建模方法仿真的真實(shí)河道內(nèi)河流流體速度場分布，其中曲線為河流流體的流線，箭頭為河流流體速度場。

圖5 河道內(nèi)河流流體速度場分布Fig. 5 Velocity filed distribution of river flow in river channel

由圖5可見，沿著河道方向，河流流體速度場與流線相切，符合流函數(shù)的性質(zhì)，能體現(xiàn)河流方向流動性，這也是河水區(qū)別于海水的一個重要特性。河流流體速度越靠近河道中間，速度越大；反之，越靠近河道邊界，速度越小。符合河流流體真實(shí)的真實(shí)流動情況。

3 視景系統(tǒng)仿真

通過分析比較現(xiàn)有的主流三維視景程序，筆者選取OSG作為河流視景的三維渲染引擎，主要基于3方面的因素：

1)現(xiàn)有的航海模擬器視景系統(tǒng)的開發(fā)工具為OSG。筆者選擇OSG作為河流視景的視景開發(fā)程序，可方便地與現(xiàn)有視景系統(tǒng)交互、節(jié)省開發(fā)時間和精力、較快捷地將現(xiàn)有內(nèi)河河流視景集成到航海模擬器的視景系統(tǒng)。

2)OSG自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢。OSG是一個高性能的開源三維圖形引擎，不僅具有開源的特點(diǎn)，還包含了大規(guī)模場景的分頁支持，多線程、多顯示的渲染，粒子系統(tǒng)與陰影，支持多文件格式等功能。因此被廣泛的應(yīng)用在可視化仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計算、三維重建、地理信息、太空探索等領(lǐng)域。

3)OSG的LOD類支持Multigen Creator創(chuàng)建的最普遍的靜態(tài)離散細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)，即它的每個子節(jié)點(diǎn)都是一種細(xì)節(jié)層次的表達(dá)方案。

視景系統(tǒng)仿真的源數(shù)據(jù)仍基于海道圖50000建模，河流流體速度場源于上述河流流體運(yùn)動建模結(jié)果。實(shí)驗(yàn)環(huán)境與2.4節(jié)一致，整個河流場景約為6×4 km2，河道長度約為12 km。圖6為視點(diǎn)逐漸靠近河流表面視景仿真效果。筆者在繪制河流視景系統(tǒng)時，充分利用GPU處理圖形場景的能力和優(yōu)勢，在Shader中實(shí)現(xiàn)部分河流表面繪制以及反射關(guān)照等效果。圖6(c)為視點(diǎn)距河流表面較近時繪制效果，因只是一張靜態(tài)圖片，不能展現(xiàn)筆者算法實(shí)現(xiàn)的河流方向性流動效果。但可看出渲染的三維河流視景河流表面平滑、具有河流表面反射效果、場景范圍大。整個視景系統(tǒng)可極大提升內(nèi)河船舶操縱模擬器的環(huán)境真實(shí)感。

圖6 場景繪制效果Fig. 6 Scene rendering

由圖6可見，筆者在視景系統(tǒng)建模及三維場景渲染時均采用了LOD技術(shù)，可控制場景的模型顯示細(xì)節(jié)，因此極大地提升了視景系統(tǒng)的繪制效率。表1給出了視點(diǎn)到河流表面不同距離情況下的場景模型數(shù)量以及繪制幀率。LOD技術(shù)的應(yīng)用和GPU的優(yōu)勢使得視景系統(tǒng)渲染過程中，場景模型數(shù)量自適應(yīng)視點(diǎn)到河面的距離，減少了場景模型的繪制數(shù)量，提升了整個視景系統(tǒng)的繪制效率，在不同視點(diǎn)到河流表面的距離情況下，視景系統(tǒng)的仿真幀率始終保持在60 FPS，遠(yuǎn)超過三維圖形渲染的實(shí)時繪制要求。

表1 不同視線距離下場景繪制結(jié)果Table 1 Results of scene rendering with different view distances

4 結(jié) 語

筆者主要研究了內(nèi)河船舶操縱模擬器中三維場景模型的建模與仿真。選擇海道圖50000作為實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，場景模型建模利用Multigen Creator軟件并采用LOD技術(shù)構(gòu)建不同細(xì)節(jié)層次模型?；谶^程法的河流流體運(yùn)動模型可真實(shí)體現(xiàn)河流流動特性，最終基于GPU和三維渲染引擎OSG實(shí)現(xiàn)了內(nèi)河船舶操縱模擬器河流視景系統(tǒng)的實(shí)時仿真。

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