陳祎荻 譚麗麗

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，英文縮寫為VR）為“智慧航?！钡陌l(fā)展提供了無限可能。本文針對傳統(tǒng)二維助航設(shè)施表現(xiàn)方法存在的局限性，提出了基于VR技術(shù)的三維助航綜合展示系統(tǒng)，對其設(shè)計思路與具體實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了詳細(xì)論述，通過助航設(shè)施VR綜合展示系統(tǒng)，提供更加直觀的航道和助航設(shè)施預(yù)覽手段，加深航海人員對將要到達(dá)的港口航道和航標(biāo)的熟悉程度，進(jìn)一步提高航行安全性。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；助航設(shè)施

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)是20世紀(jì)末興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，是由計算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境——虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備，以自然的方式與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互，二者相關(guān)影響，從而使用戶產(chǎn)生一種親臨真實(shí)環(huán)境的體驗(yàn)感。虛擬現(xiàn)實(shí)和三維、模擬仿真技術(shù)的發(fā)展給助航設(shè)施的表現(xiàn)和應(yīng)用提供了新的方法和手段。在我國海上交通的許多領(lǐng)域，三維模擬、仿真技術(shù)逐步得到應(yīng)用，但是在航道和助航設(shè)施模擬領(lǐng)域應(yīng)用較少，尤其是高性價比、使用簡單、基于Web發(fā)布的手段比較缺乏。

天津港坐落于我國天津市濱海新區(qū)，港口現(xiàn)已建成船舶?？坎次?40余個，最大靠泊能力達(dá)到25萬t級，年吞吐量達(dá)到5.5億t。近年來，隨著天津港航運(yùn)事業(yè)不斷發(fā)展，海上交通日益繁忙，航海人員對航標(biāo)的依賴程度不斷加大，對航標(biāo)助航信息服務(wù)提出了更新、更高的需求。如何使用三維模擬仿真技術(shù)向船舶駕駛?cè)藛T（尤其是初次到達(dá)天津港的船舶駕駛?cè)藛T）提供更加直觀的航道和助航設(shè)施預(yù)覽手段，以加深航海人員對將要到達(dá)的港口的航道和航標(biāo)的熟悉程度，進(jìn)一步提高航行安全性，具有十分重要的意義。為此提出建設(shè)“天津航標(biāo)處助航設(shè)施VR綜合展示系統(tǒng)”，更好地為海上航行提供服務(wù)。

1 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

主要研究內(nèi)容包括建模所需數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)建模，以及PC端和移動端的軟件功能實(shí)現(xiàn)。

1）數(shù)據(jù)采集

需要采集的區(qū)域范圍為天津港主航道及港池，涉及助航設(shè)施和其他設(shè)施。主要包括：燈塔1座、燈樁4座、導(dǎo)標(biāo)14座、燈浮標(biāo)35座、VTS中心1座、塔吊55座、大橋1座。所需其他資料包括：涉及的助航設(shè)施表格資料、涉及目標(biāo)的照片、涉及的海圖資料、相關(guān)的航道視頻資料等。

2）建立模型

模型的建立是整個研究中最基礎(chǔ)、最繁瑣的工作，而助航標(biāo)志模型的建立在其中占據(jù)最大的比重。構(gòu)建航標(biāo)三維模型的首要工作是查閱航標(biāo)幾何資料，并做實(shí)地考察拍攝，從而確定應(yīng)構(gòu)建航標(biāo)的模型種類、數(shù)量、位置，然后根據(jù)航標(biāo)實(shí)際尺寸構(gòu)建模型。在實(shí)際建模過程中，這些工作往往是不斷循環(huán)的，才能保證構(gòu)建的航標(biāo)三維模型既真實(shí)又準(zhǔn)確。三維模型建模的工作流程如圖1所示。

3）三維航標(biāo)模型庫

建立一個航標(biāo)三維模型庫，對三維模型進(jìn)行管理，為針對航標(biāo)的三維應(yīng)用打下基礎(chǔ)。航標(biāo)模型庫主要包括：燈塔1座、燈樁4座、導(dǎo)標(biāo)14座、燈浮標(biāo)35座、VTS中心1座、塔吊55座、大橋1座、船舶模型1艘。

4）軟件開發(fā)

主要包括PC端軟件和移動端軟件開發(fā)，主要功能包括三維實(shí)景展示、三維實(shí)景漫游、助航設(shè)施信息展示、二維三維視角切換以及移動終端應(yīng)用。

2 系統(tǒng)功能分析

天津航標(biāo)處助航設(shè)施VR綜合展示系統(tǒng)功能上將實(shí)現(xiàn)場景模擬、場景疊加、巡航控制臺、航標(biāo)信息管理、巡航路線管理、用戶管理、瀏覽航標(biāo)燈光特效、航標(biāo)模型預(yù)覽、書簽定位等功能，使天津航標(biāo)處能夠?qū)崿F(xiàn)對航標(biāo)的點(diǎn)、線、面相結(jié)合的管理模式，從而使天津航標(biāo)處對航標(biāo)的管理更加科學(xué)高效，船舶航行更安全。

系統(tǒng)主要包括三維GIS平臺，助航設(shè)施VR綜合展示，系統(tǒng)管理這幾個功能模塊，如圖2所示。

1）三維GIS平臺

三維GIS平臺可直觀地反映天津港主航道及港池的三維實(shí)景和航道的三維輪廓，直觀地反映航道的航行條件和可通航區(qū)域，以及主航道上的所有助航設(shè)施的三維模型。如圖3所示。

三維GIS平臺還可以實(shí)現(xiàn)場景模擬功能，可通過多方視角對天津港主航道進(jìn)行漫游，漫游方式包括天空、水面和水下等方式。水面方式可以模擬船舶進(jìn)港的全過程，展示船長可以觀察到的海上和航標(biāo)的視覺情況。要分別實(shí)現(xiàn)白天與黑夜環(huán)境下、霧天環(huán)境下的效果。白天可以看到所有航標(biāo)的外型和顏色，夜晚可看到航標(biāo)所發(fā)出的燈光或信號范圍見圖4、圖5。

2）助航設(shè)施VR綜合展示

在系統(tǒng)中，用戶可多視角查看具體的助航設(shè)施的三維模型，展示三維模型的靜態(tài)、動態(tài)信息以及設(shè)備的報警信息，如圖6所示。

（1）信息查詢

用戶在該模塊中可以查看航標(biāo)的結(jié)構(gòu)詳情，包括航標(biāo)的定義、航標(biāo)類型、結(jié)構(gòu)等；還可查看航標(biāo)的靜態(tài)信息，包括名稱、編號、燈光狀態(tài)、燈質(zhì)、標(biāo)體直徑、標(biāo)體形狀、標(biāo)體顏色等。

（2）模擬巡航

設(shè)定巡航路線，模擬船舶進(jìn)出港過程，展示高空視角和船長視角可以觀察到海上和航標(biāo)的視覺情況。

3 系統(tǒng)管理

在系統(tǒng)管理模塊中，可實(shí)現(xiàn)對用戶權(quán)限、書簽定位信息、巡航路線、航標(biāo)信息、操作日志等功能的管理維護(hù)功能。該模塊除了對用戶信息、航標(biāo)信息進(jìn)行編輯外，還可對巡航路線進(jìn)行編輯操作，具體可實(shí)現(xiàn)新增巡航路線、編輯巡航路線、查詢巡航路線、定位巡航路線、刪除巡航路線等操作。

4 系統(tǒng)測試

模擬船舶進(jìn)出港的全過程，選擇船長視角巡航和高角度視角巡航，通過瀏覽可以掌握高角度和船長所在視線內(nèi)觀察到的海上和航標(biāo)的情況。測試效果達(dá)到了巡航要求。

5 結(jié)束語

將VR技術(shù)應(yīng)用于助航設(shè)施綜合展示系統(tǒng)中，在展示天津港主航道及港池的助航設(shè)施和模擬船舶進(jìn)出港過程中效果更加逼真，不僅提升了航海保障的信息化水平，還提高了船舶進(jìn)出港的安全。這種基于VR技術(shù)的助航設(shè)施綜合展示系統(tǒng)為航保發(fā)展提供了新的思路，對“智慧航?！薄皵?shù)字航標(biāo)”的發(fā)展具有重要意義。

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作者簡介：

陳祎荻，天津航標(biāo)處航標(biāo)信息科，工程師，（E-mail）chenyidi123@163.com