深水鋪管起重船作業(yè)視景仿真研究

吳有力，袁利毫，徐家哲，周小龍，徐金文

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064)

海洋石油201船是中國(guó)首艘3 000 m深水鋪管起重船，該項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)和建造的第一個(gè)深水海洋工程船舶裝備項(xiàng)目。船長(zhǎng)204.65 m，型寬39.2 m，型深14 m，設(shè)有世界上最先進(jìn)的DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，全電力推進(jìn)并設(shè)置了7個(gè)推進(jìn)器，具備3 000 m級(jí)深水鋪管能力和4 000 t級(jí)重型起重能力。該船不僅可適用于海上石油平臺(tái)上部模塊等大件的吊裝與拆除、導(dǎo)管架的輔助下水與就位，最重要的將用于深海海底油氣管道的鋪設(shè)、維修等作業(yè)?；谙冗M(jìn)的仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和多媒體技術(shù)，研究直觀地反應(yīng)深水鋪管起重船海上航行及作業(yè)的特點(diǎn)和規(guī)律的駕駛模擬視景仿真子系統(tǒng)［1］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理概述

基于Vega Prime視景仿真主要包括三部分。視景模型的預(yù)處理、LynX Prime圖形界面設(shè)計(jì)和視景仿真程序設(shè)計(jì)。視景模型的預(yù)處理主要有兩個(gè)部分即MultiGen Creator三維建模軟件和Creator Terrain Studio(CTS)大面積地形建模;LynX Prime圖形界面設(shè)計(jì)主要包括基本環(huán)境設(shè)置、模型初始位置(主要指精細(xì)模型在大場(chǎng)景模型中的定位)、常用特效設(shè)置(如云、霧、雨、火和聲效等)和大場(chǎng)景應(yīng)用設(shè)置等內(nèi)容;視景仿真程序設(shè)計(jì)主要完成整個(gè)仿真過(guò)程，為用戶提供實(shí)時(shí)流暢的視景仿真結(jié)果，它可以通過(guò)Vega Prime提供的API函數(shù)直接調(diào)用視景模型預(yù)處理生成的模型庫(kù)，還可以調(diào)用由LynX Prime圖形界面設(shè)計(jì)生成的.acf文件實(shí)現(xiàn)對(duì)視景模型庫(kù)進(jìn)行控制，通過(guò)接收仿真數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主要內(nèi)容包括波浪仿真、海洋特效仿真、大氣環(huán)境仿真、碰撞檢測(cè)與響應(yīng)、目標(biāo)船運(yùn)動(dòng)仿真、場(chǎng)景調(diào)度與管理、視點(diǎn)切換和渲染場(chǎng)景等內(nèi)容?；赩egaPrime視景仿真三部分之間的關(guān)系及仿真框架設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 基于Multigen Creator和Vega Prime的視景仿真開(kāi)發(fā)流程

1.2 軟件開(kāi)發(fā)工具

建立逼真的三維訓(xùn)練視景仿真系統(tǒng)需要基于三維建模軟件Multigen Creator和視景渲染軟件Vega Prime平臺(tái)進(jìn)行視景仿真開(kāi)發(fā)，并利用Visual C++.NET 2005開(kāi)發(fā)程序流程和用戶界面。主要分成兩部分:建立三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)和開(kāi)發(fā)視景仿真驅(qū)動(dòng)軟件。

2 建立三維模型庫(kù)

采用三維建模軟件MultiGen Creator對(duì)201船和地景模型進(jìn)行建模，不僅有強(qiáng)大的多邊形建模功能，而且有獨(dú)創(chuàng)的用于描述三維虛擬場(chǎng)景的層次化OpenFlight數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其模型數(shù)據(jù)庫(kù)可以在獲得極高渲染效率的同時(shí)保證實(shí)時(shí)交互的靈活性［2］。根據(jù)201船駕駛模擬系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景的特點(diǎn)和層次結(jié)構(gòu)，三維模型庫(kù)主要包含以下模型。

1)訓(xùn)練地形。主要由島嶼、陸地和沿岸背景山脈組成。

2)碼頭景物及周邊建筑。該部分模型主要包括碼頭上的典型建筑物、起吊設(shè)備、橋梁、房屋、樹(shù)木、岸邊實(shí)景模型等。

3)船模型。采用Multigen Creator中的LOD建模方法，對(duì)201船分別建立3個(gè)不同精度的模型，即遠(yuǎn)、中、近三層模型，精度逐漸增高。紋理也根據(jù)模型的不同精度，采用不同精度的貼圖［3］。

主要使用放樣工具對(duì)201船進(jìn)行船體建模，放樣工具可以將一組關(guān)鍵多邊形平面放樣生成一個(gè)三維實(shí)體，通過(guò)將船體(主要指主甲板以下部分)的一組橫剖面按其位置排號(hào)，使用放樣工具即可將船體建立起來(lái)，同樣也可以利用船體的一組縱剖面進(jìn)行放樣建模。上層建筑、甲板設(shè)備如主吊、輔吊、托管架模型則需要利用基本建模工具和變換參考網(wǎng)格進(jìn)行建模;根據(jù)主吊、輔吊、托管架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置相應(yīng)DOF節(jié)點(diǎn);參考設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行駕控臺(tái)及其操作面板的三維建模，見(jiàn)圖2。

圖2 201船三維模型效果

4)目標(biāo)船模型和助航標(biāo)志模型。主要包括油船、貨船、集裝箱船等船型，鉆井平臺(tái)，纜樁、燈塔、燈標(biāo)、方位標(biāo)志等各類模型。

3 視景仿真驅(qū)動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)

基于實(shí)時(shí)仿真軟件Vega Prime3.0和編程開(kāi)發(fā)軟件Visual Studio 2005開(kāi)發(fā)視景仿真驅(qū)動(dòng)，主要開(kāi)發(fā)以下功能模塊:場(chǎng)景漫游、波浪仿真、海洋特效仿真、大氣環(huán)境仿真和碰撞檢測(cè)。

3.1 場(chǎng)景漫游

可以切換至不同視角，以駕駛者視角及第三方不同站位視角觀察船舶運(yùn)動(dòng);根據(jù)駕駛模擬系統(tǒng)的特點(diǎn)，以駕駛室為主視點(diǎn)，切換至船艏、船艉、左舷、右舷等多處視點(diǎn)，便于實(shí)時(shí)查看201船在海洋場(chǎng)景中的航行狀態(tài)。

用鍵盤控制視點(diǎn)的切換。實(shí)現(xiàn)該功能的程序框架如下。

//按下鍵“2”時(shí)，觀察者在駕駛室內(nèi)觀察船的運(yùn)動(dòng)

case vrWindow::KEY_2:

//設(shè)置觀察對(duì)象

m_pObserver-＞setLookAt(NULL);

//設(shè)置觀察位置，隨Shiptransform運(yùn)動(dòng)

m_pObserver-＞setLookFrom(m_pShiptransform);

/*設(shè)置Shiptransform的位置，規(guī)定觀察者位于船舶中心點(diǎn)前方181.8 m，上方31.2 m的位置上*/

m_pShiptransform-＞setTranslate(0，181.8，31.2);

//設(shè)置觀察角度

m_pShiptransform-＞setRotate(0，0，0);

/*設(shè)置觀察者在駕駛室中做緩慢的UFO式漫游運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)模式便于觀察者根據(jù)意愿用鼠標(biāo)移動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)換視點(diǎn)，以便于看到駕駛室內(nèi)的全貌*/

m_pShiptransform-＞setStrategy(vpMotion::find("myMotionUFO"));……

3.2 海洋特效仿真

主要模擬與201船航行中的船艏浪花、艉跡等海洋特效。

3.2.1 船艏浪花

通常有兩種類型，成角度的浪花和水平方向的浪花。成角度的浪花是由于船艏劃破水表面時(shí)產(chǎn)生的浪花，與水平方向有一定角度，其尺寸大小與船舶干舷、橫梁、船艏寬度、船艏長(zhǎng)度、船艏到船艏圓心點(diǎn)位移、吃水線長(zhǎng)度、船舶在水中的實(shí)際航速、旋轉(zhuǎn)速率、縱傾角、橫搖角、上下位移等因素有關(guān);水平方向的浪花可以根據(jù)粒子系統(tǒng)的船舶興波模型仿真，它與船舶速度、船艏到原點(diǎn)的偏移量、船艏寬度、干舷等有關(guān)。各種參數(shù)與船舶的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 船艏浪花控制參數(shù)示意

3.2.2 船艉艉跡

由于推進(jìn)器氣穴現(xiàn)象和艉部的拖動(dòng)所產(chǎn)生的艉跡，船舶速度和推進(jìn)器轉(zhuǎn)速越大，艉跡所持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，設(shè)置相關(guān)參數(shù)見(jiàn)圖4。

圖4 艉跡控制參數(shù)示意

3.2.3 用鍵盤調(diào)節(jié)海洋參數(shù)大小

以浪級(jí)的控制程序?yàn)槔?，說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)海洋參數(shù)的大小的調(diào)節(jié)。

case SEA_STATE:

//首先為nValue賦初值

nValue=m_pWaveGenerator-＞getseaState();

/*每按下“+”(或“-”)，nValue就增加(或減少)fSign的一倍，nValue變化的范圍是0～12*/

nValue=vuLimit(nValue+(int)fSign，0，12);

//重置浪級(jí)參數(shù)為變化后的nValue值

m_pWaveGenerator-＞setSeaState(nValue);

同理，還可以調(diào)節(jié)波浪表面風(fēng)向和風(fēng)速、有義波高、運(yùn)動(dòng)波浪水平位移計(jì)算參數(shù)、波形、波幅、波峰檢測(cè)參數(shù)、局部反射影像扭曲因數(shù)等海洋參數(shù)的大小。

3.3 波浪仿真

為了逼真地模擬波浪效果，采用實(shí)時(shí)視景仿真軟件Vega Prime專用的三維動(dòng)態(tài)海洋模塊Marine，其原理是通過(guò)一系列正弦波和余弦波疊加，采用快速傅里葉變換(FFT)算法求解疊加值，疊加值表示波的波幅。通過(guò)設(shè)置影響海況的各種參數(shù)模擬不同海況，主要參數(shù)如下。

1)海浪的主方向。與風(fēng)的方向保持一直，波浪沿風(fēng)的方向傳播。

2)波形態(tài)。根據(jù)外界因素的不同產(chǎn)生不同形態(tài)的波浪。

3)紋理變換因子?？刂撇ɡ思y理移動(dòng)速度，動(dòng)感更強(qiáng)烈。

4)抑制小波因子。控制波浪表面不同波長(zhǎng)的波數(shù)。

5)波浪起伏因子?？刂撇ɡ怂椒较虻奈灰屏?。

6)能量分布因子?？刂撇ǚc波長(zhǎng)的分布，值越大，頻譜的能量部分向更大和更長(zhǎng)的波靠攏。

模擬海洋環(huán)境可通過(guò)創(chuàng)建波浪生成類Marine Wave Generator FFT的實(shí)例，即可生成動(dòng)態(tài)波浪效果，可以設(shè)置網(wǎng)格單元大小、網(wǎng)格單元的分辨率、風(fēng)向、風(fēng)速、波高、浪尖泡沫密度等參數(shù)。Marine模塊提供了功能強(qiáng)大的API函數(shù)，可以根據(jù)海況和蒲福風(fēng)級(jí)的對(duì)應(yīng)參數(shù)修改波浪的風(fēng)度和波高，模擬不同海況下的波浪效果。

另外通過(guò)設(shè)置Marine模塊Marine Ship類的寬度、與船舶原點(diǎn)坐標(biāo)的距離、擴(kuò)散角度、消隱時(shí)間等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)船艏浪花、艉跡的海洋特效模擬。

3.4 大氣環(huán)境仿真

模擬不同的氣象環(huán)境，包括晴天、雨、雪、霧等惡劣天氣，提供按航海習(xí)慣劃分能見(jiàn)度等級(jí)的霧景，日晝光照連續(xù)變化，能夠反映白天、夜間、不同能見(jiàn)度等級(jí)時(shí)的逼真、精細(xì)的圖像。大氣環(huán)境仿真主要采用粒子系統(tǒng)模擬雨、雪效果，能夠反映風(fēng)對(duì)雨、雪的影響。粒子系統(tǒng)隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)中己有粒子不僅不斷改變形狀、不斷運(yùn)動(dòng)，而且不斷有新的粒子加入，并有舊的粒子消失。利用粒子系統(tǒng)模擬雨雪特效的流程是:①在固定間隔時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生新的粒子加入系統(tǒng)中;②賦予每一新粒子以一定的屬性，其屬性主要包括:位置、大小;運(yùn)動(dòng)速度和方向;顏色;透明度;形狀;生命周期;③刪除那些已經(jīng)超過(guò)其生命周期的粒子;④根據(jù)粒子的動(dòng)態(tài)屬性對(duì)粒子進(jìn)行移動(dòng)和變換;⑤繪制并顯示由有生命的粒子組成的圖形［3］。

3.5 碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)軟件主要用于檢測(cè)201船是否與訓(xùn)練場(chǎng)景、目標(biāo)船只發(fā)生碰撞，并將這個(gè)信息發(fā)送到船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行相應(yīng)解算，調(diào)整201船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

本系統(tǒng)采用自定義Box型Volume檢測(cè)法來(lái)測(cè)試碰撞。

Vega Prime通過(guò)Isector(分扇區(qū))模塊和Volume(卷標(biāo))模塊提供了這樣一種機(jī)制，它可以在Isector實(shí)例所指定的目標(biāo)和該Isector實(shí)例設(shè)定的方法所對(duì)應(yīng)的Volume之間進(jìn)行相交檢測(cè)，從而使程序方便地獲得許多有用的相交測(cè)試結(jié)果。Isector實(shí)例中都包含了一個(gè)對(duì)應(yīng)的Volume，而在Vega中包括點(diǎn)、線、面在內(nèi)的幾何圖元都可以用來(lái)定義Volume。為了讓系統(tǒng)區(qū)分出相交測(cè)試的目標(biāo)對(duì)象，Isector和作為目標(biāo)對(duì)象的地形模型的Isector類掩碼必須一致，或至少有一位相同。相交檢測(cè)中使用的Volume是由Isector的Method來(lái)確定的。本系統(tǒng)的Volume是由多條線段圍成的長(zhǎng)方體，其大小和位置需要自己來(lái)定義。這需要用到Volume方法，它能關(guān)聯(lián)一個(gè)Volume實(shí)例，在運(yùn)行過(guò)程中，把其它類型的Volume簡(jiǎn)化為近似的Segment類型的Volume來(lái)進(jìn)行相交測(cè)試。

這里用一個(gè)長(zhǎng)方體盒形區(qū)域?qū)⒋暗拇龣z部分包圍起來(lái)，通過(guò)控制長(zhǎng)方體對(duì)角點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)控制盒形區(qū)域的大小和位置。使用這種檢測(cè)器可以良好地實(shí)現(xiàn)物體間的碰撞效果，防止穿墻。程序的實(shí)現(xiàn)過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖5 程序基本構(gòu)成

當(dāng)檢測(cè)棒未檢測(cè)到碰撞目標(biāo)時(shí)顯示為紅色，一旦發(fā)生碰撞，檢測(cè)到碰撞的檢測(cè)棒呈綠色作為提示，同時(shí)船舶急停，用編程的方法制造出巨大的碰撞聲，反饋出發(fā)生碰撞的位置信息提示。

對(duì)視景仿真平臺(tái)進(jìn)行碰撞檢測(cè)要兼顧效率和精度，而在基于Vega Prime的視景虛擬仿真中，Vega Prime自帶的基于相交矢量的碰撞檢測(cè)方法在效率和精度上都不盡如人意。盒型檢測(cè)體與海洋船舶船體的下部結(jié)構(gòu)形狀相似，因此設(shè)置適當(dāng)?shù)腂ox型檢測(cè)體恰好能將船體下部包圍起來(lái)，同時(shí)提高了碰撞檢測(cè)的效率和精度，從而獲得較好的環(huán)境真實(shí)性和用戶沉浸感。

3.6 三通道視景顯示

系統(tǒng)采用三通道圖像生成系統(tǒng)，水平180°、垂直40°視場(chǎng)角視景。為了使訓(xùn)練效果最佳、臨場(chǎng)感覺(jué)更逼真，需要將幾個(gè)投影通道進(jìn)行水平拼接，從而得到連續(xù)的全景效果。每一通道的圖像由1臺(tái)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，如果生成的圖像相差太大，拼接后形成的畫面就不是一個(gè)整體。因此，多通道同步技術(shù)是系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)。

采用三通道圖形生成系統(tǒng)—主要由1個(gè)主節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)和3臺(tái)圖形節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)組成。由主節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)向從節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)發(fā)送視點(diǎn)參數(shù)和場(chǎng)景控制命令，保證視景畫面實(shí)時(shí)更新和各圖形顯示通道應(yīng)能夠精確同步，不能出現(xiàn)肉眼可察覺(jué)的延遲或使場(chǎng)景出現(xiàn)跳躍感，每個(gè)通道都要達(dá)到30幀以上刷新速率以滿足用戶交互的需要，見(jiàn)圖6。

圖6 三通道視景硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.6.1 Vega Prime DR模塊實(shí)現(xiàn)原理

Vega Prime分布式渲染(DR)模塊是實(shí)現(xiàn)完全同步的多通道應(yīng)用開(kāi)發(fā)和調(diào)度的理想工具，能夠在多臺(tái)圖形節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行連續(xù)一致的渲染，包括能夠通過(guò)局域網(wǎng)對(duì)多通道應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置和配置的工具DR Utilities(distributed rendering utili)和MPI Agent(multiGen-paradigm agent)。DR Utilies用來(lái)設(shè)置主機(jī)和從機(jī)的角色，所在分布式渲染組(Group)，所用的虛擬管道(visual pipeline)等等。MPI Agent通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)響應(yīng)這些設(shè)置，完成啟動(dòng)/關(guān)閉應(yīng)用程序、修改配置、響應(yīng)主機(jī)的參與請(qǐng)求等。Vega Prime DR模塊的同步原理圖見(jiàn)圖7。

3.6.2 三通道視景系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

圖7 Vega Prime DR模塊的同步原理

要實(shí)現(xiàn)三通道視景仿真系統(tǒng)，需要建立三通道的ACF文件，用DR Utilies和MPI Agent正確的設(shè)置主機(jī)和從機(jī)的參數(shù)，利用Vega Prime API函數(shù)生成應(yīng)用程序，最后分別在主機(jī)和從機(jī)中建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

1)建立三通道ACF。在Vega Prime的Lynx Prime面板中創(chuàng)建3個(gè)channel，并將它們是視錐體設(shè)置為非對(duì)稱形式，分別設(shè)置左、中、右3個(gè)channel的邊界值參數(shù)。然后，建立3個(gè)Window和3個(gè)Pipeline，讓每個(gè)通道都對(duì)應(yīng)1個(gè)Window和1個(gè)Pipeline。

2)配置主從機(jī)參數(shù)。在主機(jī)和每個(gè)從機(jī)上運(yùn)行MPI Agent。在DR Utilies設(shè)置主機(jī)的Role為Master，從機(jī)的Role為Slave。將主機(jī)和從機(jī)的所在分布式渲染組設(shè)置為相同，為主機(jī)和從機(jī)各分配一個(gè)虛擬管道(Visual Pipeline)，并且這3個(gè)虛擬管道的名稱，要和ACF中建立的3個(gè)Pipeline名稱相同。

3)生成應(yīng)用程序。主要代碼如下。

//設(shè)置同步標(biāo)志vuDistributed::setSyncEnable(vuDistributed::SYNC_LABEL_PRE_SWAPBUFFERS，true);

vuDistributed::SetSyncEnable(vuDistributed::

SYNC_LABEL_POST_SWAPBUFFERS，false);

//同步ACF

vuDistributed::setSyncEnable(vuDistributed::SYNC_

IABEL_ACF，true);

//同步時(shí)間

vuDistributed::SetSyncEnable(vuDistributed::SYNC_lABEL_TIME，true);

//同步窗口消息

vuDistrihuted::setSyncEnable(vuDistributed::SYNC_LABEL_MESSAGES，true);

//同步輸入設(shè)備

vuDistributed::setSyncEnable(vuDistributed::SYNC_LABEL_INPUT，true);…………

4)建立數(shù)據(jù)庫(kù)。將做好的*.exe文件和*.acf文件拷貝到主機(jī)和從機(jī)中。為了方便，在主機(jī)和從機(jī)中，將文件放在同一路徑下。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于MultiGen Creator和Vega Prime仿真軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)出了深水鋪管起重船作業(yè)視景仿真子系統(tǒng)。采用真實(shí)的照片紋理和LOD技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)了為降低內(nèi)存消耗而減少實(shí)體模型面數(shù)引起的模型表現(xiàn)力上的不足;自定義Box型Volume檢測(cè)法符合船型特點(diǎn)，減少資源浪費(fèi)，提高了碰撞檢測(cè)的效率和精度;逼真的海洋環(huán)境和特效模擬，再配上一定的音響效果，使受訓(xùn)人員通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官信息獲得接近實(shí)船操作的體驗(yàn)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，視景仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和實(shí)用性均達(dá)到了令人滿意的效果。

［1］金一丞，尹 勇.航海模擬器的視景系統(tǒng)［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，27(2):16-20.

［2］洪 光，李洪儒，牟建國(guó).基于Creator三維模型的簡(jiǎn)化研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2004，21(1):57-55.

［3］袁利毫.船舶操縱模擬器視景仿真研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2007.