万箱船轮机模拟器的虚拟设计及通信实现

发布时间：2020-07-18 16:52

【摘要】：随着虚拟现实技术和网络通信技术的发展,具有虚拟现实特征的三维虚拟机舱系统的开发,已成为当下轮机仿真系统研究的重要方向。相较于传统轮机模拟器半实物仿真结合二维仿真界面的展现形式,虚拟机舱能提供更真实直观的机舱实景,为操作者带来逼真的沉浸式体验,为培训者提供更加自主高效的学习训练平台。本文以万箱集装箱船“大西洋”为母型船,并结合大连海事大学开发设计的万箱船轮机模拟器项目,设计开发出“大西洋”三维机舱虚拟仿真系统。在改进兰伯特模型的基础上,自主开发出更适合虚拟机舱环境下的着色器,在实际场景中有良好的表现效果。本文首先研究了虚拟现实技术的发展、特征和分类及其在轮机模拟器中的应用,并根据“大西洋”万箱船特点,进行了三维机舱功能需求设计,搭建了虚拟设计框架。其次选择3ds Max作为项目建模工具,进行机舱场景建模和优化工作,研究并应用贴图烘焙和法线映射新型贴图技术,增加了场景的真实感。采用unity 3D作为三维机舱虚拟引擎,根据漫反射和高光反射光照模型,使用C#语言改进并开发出half-Lambert和Blinn-Phong着色器脚本,提升场景的光照效果。使用Unity视椎体剔除技术、遮挡剔除技术和LOD技术,根据实际场景需求,进行机舱场景的GPU显示优化;研究虚拟机舱的摄像机成像及控制原理,通过分析碰撞检测和射线拾取技术,并建立交互点的虚拟操作,最终完成机舱的人机交互设计。最后,分析轮机模拟器数据采集系统,以UDP Socket的无连接通信方式,实现三维虚拟机舱与二维仿真系统的虚拟同步操作。
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U666.158
【图文】：

集控室,三维虚拟场景,贴图,空压机

？W逡逑（ａ）带透明通道的贴图逦（ｂ）空压机模型逡逑图３．２使用透明贴图制作的空压机的电机散热网格逡逑Ｆｉｇ．３．２邋Ｍｏｔｏｒｉｚｅｄ邋ｃｏｏｌｉｎｇ邋ｇｒｉｄ邋ｆｏｒ邋ａｉｒ邋ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ邋ｍａｄｅ邋ｗｉｔｈ邋ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ邋ｔｅｘｔｕｒｅｓ逡逑图３．３和３．４分别为建好的万箱船集控室和应急发电机室的三维模型场景。逡逑：皆r>逡逑图３．３万箱船集控室三维虚拟场景逡逑Ｆｉｇ．３．３邋Ｔｈｅ邋ｖｉｒｔｕａｌ邋ｓｃｅｎｅ邋ｏｆ邋ｅｎｇｉｎｅ邋ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｒｏｏｍ逡逑２０逡逑

均匀分布,应急发电机室,三维虚拟场景

信息转换成贴图，将减少ＧＰＵ的光影计算时间使物体在无灯光环境下也具有逡逑一定的光影效果，当场景较大时将大幅减少模型的缓冲运行时间。逡逑如图３．５所示，通常采用光线跟踪法由可视点发出若干条光线，光线在点的逡逑外部法向量《的半球体Ｑ上均匀分布，并进行与周围环境的相交测试来计算出当逡逑前／＞处的Ａ０结果。逡逑２１逡逑

成像原理

逑！逡逑图３．５光线跟踪原理逡逑Ｆｉｇ．３．５邋Ｔｈｅ邋ｒａｙ邋ｔｒａｃｉｎｇ逡逑／ｉ表示几何体元在／；点处的法向量，ｐ点处的ＡＯ值可用如下积分表示：逡逑／Ｉ）＝N邋ＪＶ（ｔｙ，邋／0邋ｍａｘ（ｏ．邋？，０）ｄｏ逦（Ｕ）逡逑ｎ邋ｎ逡逑其中Ｆ为二值可见函数，当其为０或１时，分别代表／Ｊ点对周围几何体元不可见逡逑或可见；Ｑ表示相应的半球体空间；０为ｐ点在半球体内发出的方向向量。上为逡逑理想情况下计算的ＡＯ着色值，实际应用中需使其离散化以便具有实现性，即公逡逑式（３．２）：逡逑Ａ（ｐ，ｎ）－＾Ｖ（（0，邋ｐ）邋ｍａｘ（＜0邋？邋ｎ，邋０）逦（３．２）逡逑图３．６展示了物体的ＡＯ烘焙图成像原理，球体沿表面的法线方向发射若干条逡逑光线，光线碰到附近的黑色方盒时，将产生反馈值，用来标记出旁边有物体，从逡逑而呈现出黑色；未碰触到则标记为白色。逡逑一邋＿逡逑图３．６邋ＡＯ烘焙成像原理逡逑Ｆｉｇ

【参考文献】