内河船舶航行环境视景三维仿真

田延飞，黄立文，陈姚节，谭天力

(1.武汉理工大学 航运学院，湖北 武汉 430063；2. 内河航运技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430063)

0 引 言

随着计算机硬件和计算机图形学的发展,科学计算可视化已成为一门独立的新型学科。特别的，近年来发展越来越快的虚拟现实技术将其带入一个全新的境界[1]。视景仿真是一种基于计算信息的沉浸式交互环境，其核心就是通过计算机软硬件技术生产逼真的视听沉浸式效果。作为计算机技术中最为前沿的应用领域之一，视景仿真已广泛应用于模拟驾驶、场景再现、城市规划等应用领域[2-3]。

在航海仿真领域，船舶航行环境视景仿真是其关键内容之一。随着仿真技术向可视化方向的发展，使用三维仿真技术模拟船舶航行环境，构建岸景、地形、水文、助航设施以及交通流等环境信息，不仅可以实现航运安全环境的预见、模拟和还原，同时也能够促进航运安全的改善和提高。三维可视化技术对船舶航行综合环境的表达相对于传统的二维电子江图更加直观、形象和准确[4]。

但是，目前国内建设(引进或自主研发)的大型船舶操纵模拟器多针对近海、沿海港口，其视景数据库中一般多为该类航行场景的三维数据，内河船舶航行视景三维模型数据还很少。尽管国内大连海事大学、上海海事大学、武汉理工大学等在专门研发内河船舶操纵模拟器上做出了贡献，并成功研制出了自主品牌的内河船舶操纵模拟器，其模拟器中船舶航行视景数据库并不丰富(针对很少部分的内河航段而建设)，且仿真效果还需要完善。因此，有必要就内河水域船舶航行环境三维仿真展开研究。一是，其能够用于丰富现有的船舶驾驶模拟系统，为船舶驾驶模拟器提供更多的练习水域。二是，能够用于专门的内河船舶驾驶模拟器系统的建设。三是，对内河船舶航行环境进行三维仿真，以直观地反映出航道内包括本船在内的水面物标、近岸陆域趸船、码头、引桥、房屋等物标，其高精度的可视化的效果可以作为船舶驾驶人员熟悉通航环境的辅助手段，也可以应用于第三方(如海事主管部门)的现场监控系统。

1 技术支持

1.1 三维建模软件平台

在视景三维仿真系统的建设与应用中，对象三维视景模型的构建是视景仿真系统建立的基础，也是视景仿真系统应用效果的关键。目前主流建模软件种类繁多，功能多样，比如3D MAX、ImageShop、Maya、SolidWorks、Multigen Creator等建模软件，它们都在各自应用领域内发挥针对性的效用。选择合适的船舶航行环境仿真建模软件，对于仿真系统的构建十分重要。3D MAX和Multigen Creator是虚拟现实建模常用的软件。鉴于不同软件平台的优势，笔者对船舶航行环境视景组成要素三维建模主要基于3D MAX和Multigen Creator。

1.2 视景模型驱动平台

目前，用于对象视景三维仿真的软件平台有很多种，如Multigen Vega、QUEST 3D、OpenGL、Open

ScenceGraph (OSG)等。笔者选用OSG作为内河船舶航行环境视景三维模型的驱动(引擎)平台，主要基于如下几点考虑：

1)OSG是一个面向对象的三维视景仿真开发包，它包含了极其丰富的类库，操作灵活，性能优越，更为重要的是OSG 是开源的三维引擎底层应用库，可以支持多平台、多语言使用。

2)OSG是采用C++语言进行编写的，封装OpenGL作为底层平台的开源库，不仅具有OpenGVS、Vega prime的模块化和易操作等优点，而且具有针对不同需求更改底层代码的灵活性等优点[2-3,5-6]。

3)OSG提供一个专门的应用模块osgOcean，来模拟海洋场景，包括天空、云、海水、波浪等。在视点跟踪的范围内，OSG能够实时显示海洋场景(含特效)；当视点移动到定义海洋场景的矩形边界后，系统再加载当前视点跟踪范围内的区域进行显示，从而，系统运行过程中能够节省大量的内存。

4)利用osgOcean建立的三维海洋场景，可以实时的改变海洋环境的属性参数，从而改变海情，达到营造逼真的海洋场景地目的。

2 技术路线

笔者基于OSG实现的内河船舶航行环境视景三维仿真主要有以下步骤：

1)对象视景三维建模。对水面及近岸陆域物标(实体)、地形地貌视景进行三维建模，保存为可调用的*.flt文件。对象视景三维建模关键技术将在3.1中叙述。

2)进行初始化设置。在OSG中初始化配置天空和海洋环境等特殊效果。

3)导入模型文件。通过osgDB::readNodeFile 函数将已保存的*.flt模型文件导入到OSG 图形程序。

4)场景驱动。编制OSG主程序，调用动态物标运动状态数据对该类物标视景的三维模型予以驱动。例如，为实现某个船舶运动视景的三维仿真，可通过实船实验(或自航模实验)获取的船舶六自由度的实验数据，将实验数据结果加载到船舶模型上用于驱动其视景三维模型[7]。各物标视景三维模型驱动过程中，通过视点追随(切换)[2]，实现视点更新，从而对仿真的整个航行环境的三维视景进行显示。

基于OSG的内河船舶航行环境视景三维仿真流程如图1。

图1 基于OSG的内河船舶航行视景仿真流程Fig. 1 Visual scene simulation process of inland waterway navigationalenvironment based on OSG

3 关键技术分析

3.1 场景节点组织

参考航海类专业文献[8-9]，船舶航行环境系统由气象、水文、航道条件、航道设施、港口(码头)设施等组成。从仿真的角度，对内行船舶航行环境的三维仿真对象主要是船舶航行环境系统中的视觉可见部分，如气象因素(天空颜色、云彩、雨、雪、雾等)、水面颜色、地形地貌以及水面和近岸陆域各类物标(实体如船舶、航标、灯船、桥梁、趸船、码头、引桥、树木、房屋等)。

另外，由于OSG 采用节点机制对场景进行组织管理[10]，因此根据船舶航行环境的三维仿真对象各自的类别，采用表1所述节点对内河船舶航行环境场景进行组织和管理，即针对对象类别将各个模型分开建立节点进行控制，最后汇总，以一个总节点进行绘制。

表1 基于OSG的内河船舶航行环境场景节点组织Table 1 Node organization of OSG based scene of inland waterwaynavigational environment

3.2 三维建模技术

3.2.1 基于3D MAX的水面及近岸陆域物标三维建模

除采用编辑软件系统自带的部分物标三维模型来获得研究航段部分水面及近岸陆域物标(如航标、灯船、树木等)的三维模型外，对研究航段水面及近岸陆域特征物标，采用高清相机拍照、无人机航拍、高清卫星图片等物标高程数据和纹理特征，在3D MAX平台实现水面与近岸物标视景的三维建模。

3.2.2 基于Creator的地形地貌三维建模

地形地貌包括河道(含河道中的岛礁)地形地貌与近岸地形地貌。对河道地形地貌的建模，由CAD水深测图、航海图书资料等获取河道高程(水深)数据和地貌特征；对近岸地形地貌的建模，主要是基于无人机航拍、高清相机拍照、高清卫星图片等获取其高程数据和地貌特征。最后在Creator平台进行一体化处理实现地形地貌三维建模。

3.3 动态调度与LOD渲染优化技术

动态调度是根据当前场景模型的投影关系，预先判断下一步将要“进入”可视域的场景模型，通过输入/输出线程将该模型从分页数据库中读入缓存区；另外，将场景中暂时不需要显示的模型节点从内存中移除，释放占用的内存空间。从而保证不会因占用的内存空间过大而导致系统崩溃。动态调度实际上是对所有节点状态进行实时监控的过程，并对各个节点的中心位置与视点位置进行判定，根据判定结果进行节点的加载、删除等操作[11]。

LOD技术被称为细节层次技术，可以将物体用简单形式进行表达，这就使得绘制的图形非常简洁。当视点靠近物体时，用详细的细节表示；当视点远离物体时，用简化模型来表示。由于距离原因，简化后的模型与细节详细的模型看上去很接近，这样就可以获得一个比较好的加速效果。LOD 计算的是视点到物体包围盒中心的距离，包括两种中心模式：包围盒中心模式和自定义模式，在此选用包围盒中心模式。LOD 的切换也是根据距离来确定的，它有两种模式：距视点的距离模式和屏幕像素的大小，这里应用了屏幕像素大小模式[12]。

包围盒、剪裁及LOD技术见示意图2。

图2 包围盒、剪裁及LOD示意Fig. 2 Schematic of bounding box, clipping and LOD

4 仿真示例

将文中技术应用于上海黄浦江航段船舶航行环境视景的三维建模与仿真，并展示仿真效果。

4.1 物标三维建模示例

采用文中2节中所述三维建模软件平台，基于3D MAX和Creator构建的内河航行常见部分物标视景的三维模型如图3～图6。

图3 客滚船视景三维模型Fig. 3 3D visual model of a ro-ro passenger ship

图4 拖轮视景三维模型Fig. 4 3D visual model of a tug

图5 航标视景三维模型Fig. 5 3D visual model of a navigational aid

图6 近岸吊机视景三维模型Fig. 6 3D visual model of the offshore cranes

由图3～图6可见，对物标视景的三维建模具有很高的精度，显示效果逼真。

4.2 视景驱动效果展示

如文中2节中所述，基于OSG实现内河船舶航行环境视景的三维仿真。仿真过程中，本船设置为一集装箱船(其运动由三自由度的MMG模型进行驱动)，视点位于本船驾驶台。在OSG驱动下实现的黄浦江航段船舶航行环境视景三维仿真效果如图7～图9。

图7 视景三维仿真效果(白天；晴天)Fig. 7 Simulation effect of 3D visual scene (daytime; sunny)

图8 视景三维仿真效果(白天；阴天)Fig. 8 Simulation effect of 3D visual scene (daytime; cloudy)

图9 视景三维仿真效果(傍晚；晴天)Fig. 9 Simulation effect of 3D visual scene (nightfall; sunny)

从仿真过程和画面效果来看，文中内河船舶航行环境视景三维仿真程序运行流畅，画面精度高、随视点变换及时准确，视景显示效果逼真。

5 结 语

概述了航海视景仿真的需求和发展要求，以丰富现有模拟器练习场景、支持内河船舶操纵模拟器建设、提高视景仿真逼真度和掌握航海视景仿真技术为契机和研究目的，选取内河通航环境视景建模与仿真开展相关研究。

研究将内河船舶航行环境中视景部分的组成要素主要划分两大模块，并运用航海视景仿真领域3D MAX、Multigen Creator等主流软件对其进行三维建模。在VC++环境下，以开源软件OSG为三维模型管理和驱动平台，对内河船舶航行环境各组成模块三维模型进行了数据融合；同时以细致的渲染来提高航行环境三维模型的真实感，实现了内河船舶航行环境视景的三维仿真。示例显示，所构建的内河船舶航行环境三维模型具有较高的精度，仿真程序运行流畅，效果逼真。视景三维模型、仿真流程和显示效果能够满足航海仿真系统建设的要求，为进一步的基于虚拟设备的人机交互、操纵训练等的研究提供基础。

笔者研究符合航海仿真的发展方向和需求：对内河船舶航行环境的三维仿真能够为航海模拟器提供更多的练习海域；能够应用于专门针对内河需求的船舶操纵模拟器建设；也能够为真正掌握航海仿真技术提供知识积累，为后续研究提供支持。

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