上海海事大學(xué)商船學(xué)院 江國和 嚴(yán)迤

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于船舶、汽車等行業(yè)。船舶柴油機(jī)是船舶機(jī)艙中的主要設(shè)備，可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對其進(jìn)行虛擬仿真，達(dá)到以計(jì)算機(jī)為中心，以顯示器為窗口，僅借助鼠標(biāo)與鍵盤實(shí)現(xiàn)船舶柴油機(jī)全方位人機(jī)交互的目的。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality, 簡稱VR），這一名詞是由美國科學(xué)家拉尼爾（Jaron Lanier）在20世紀(jì)中期提出的，近年來該技術(shù)在各個領(lǐng)域獲得迅速發(fā)展。VR是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)綜合了控制學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感和顯示技術(shù)等，從開始興起，它就引起了全世界的廣泛關(guān)注。它最早開始于美國軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，從1990年初開始，這種新型的人機(jī)交互技術(shù)旨在建立一種更加友好的人機(jī)交互關(guān)系,使人機(jī)交互的界面從單一的視覺感知跨越到包括聽覺、觸覺等在內(nèi)的多種感覺感知，給人身臨其境的感覺。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們希望人類日常生活中的所有行為都能在信息運(yùn)行處理的環(huán)境中得到體現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)具有滿足人們這些需求的四個重要特征：是多感知性(multi-sensation)、浸沒性(immersion)、交互性(interaction)和想象性(imagination)。圖1說明了上述四者之間的關(guān)系[1]。

由于這些特性，用戶可以足不出戶，在各種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備幫助下，只需坐在家中就能享受“桂林山水”奇觀，感受過山車所帶來的驚險(xiǎn)刺激。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要素和特征

三、船舶柴油機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)80年代開始，國外已經(jīng)展開了對船舶動力裝置的系統(tǒng)仿真。當(dāng)時(shí)具有代表性的有英國AVEN公司為英國華什西航海學(xué)院建造的輪機(jī)仿真訓(xùn)練器，以及挪威NORCON公司建造的輪機(jī)仿真訓(xùn)練器[2]。

中國對虛擬現(xiàn)實(shí)的研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國家相比仍有一定的差距。2001年清華大學(xué)、大連海事大學(xué)合作研制出了中國第一臺虛擬現(xiàn)實(shí)船舶輪機(jī)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，系統(tǒng)中含有虛擬視景，可以通過虛擬集控室和虛擬駕控臺對虛擬機(jī)艙設(shè)備進(jìn)行操作。另外，上海海事大學(xué)也一直致力于輪機(jī)模擬器的研究，目前已經(jīng)開始著手在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)第三代虛擬仿真輪機(jī)模擬器，并已取得了初步成效。

四、基于Quest 3D的船舶柴油機(jī)交互式虛擬仿真

在使用Quest 3D實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的過程中，主要操作流程通常包括基于3ds Max的場景建模、場景創(chuàng)建互動效果及虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽三個部分。

(一) 船舶柴油機(jī)三維實(shí)體建模

6S35MC機(jī)型的柴油機(jī)是MAN—B&W公司生產(chǎn)的可逆轉(zhuǎn)廢氣渦輪增壓式直流掃氣的超長行程大型低速二沖程船用柴油機(jī),在國際商船上廣泛應(yīng)用。建模過程采用該機(jī)型的參數(shù)，其部分參數(shù)如表1所示。

表1 6S35MC型船舶柴油機(jī)部分參數(shù)

若柴油機(jī)曲軸—飛輪結(jié)構(gòu)使用3ds Max的三維模型作參考，在建模之前，需要首先通過圖紙、說明書以及現(xiàn)場圖等資料了解曲軸飛輪的構(gòu)造和尺寸，然后分析曲軸飛輪的組成部分，其主要由曲軸臂、曲軸頸、飛輪等部分組成，再對各子模塊進(jìn)行逐個建模，最后組裝整個曲軸飛輪結(jié)構(gòu)。

1.打開3ds Max，單擊命令面板中的圓柱體，在畫圖窗口中拉出圓柱體，然后再根據(jù)收集的曲軸資料通過修改命令框進(jìn)行修改。

2.單擊樣條線面板選擇矩形，在圓柱體所處的X—Y平面上拉出矩形，并打開捕捉開關(guān)，同樣啟動弧形命令，在矩形兩端節(jié)點(diǎn)分別用弧形接好，啟用一維方向?qū)R，否則影響曲柄銷在曲軸頸上的正確對應(yīng)位置，然后啟動可編輯樣條線的焊接點(diǎn)融合[3]。

3.在修改器列表中找出擠出命令，通過旁邊的命令框輸入或者拖拉出具體的數(shù)據(jù)，通過俯視圖和前視圖進(jìn)行觀察。

4.修改曲軸臂在連桿大端上的斜切口。

5.鏡像操作。選擇好曲軸臂和之前的圓柱體之后，單擊鏡像操作按鈕，將對應(yīng)新曲軸臂和曲軸頸。

9.柴油機(jī)較佳的發(fā)火順序?yàn)?-6-2-4-3-5，二沖程機(jī)的發(fā)火間隔角度360°/6=60°，其效果如圖2所示。

圖2 曲軸效果圖

10.復(fù)制。拉伸曲軸頸，此時(shí)解組一個曲軸頸，橫向復(fù)制，準(zhǔn)備后續(xù)推力盤、飛輪、卡位做準(zhǔn)備。

11.畫出推力盤等模型。

12.飛輪盤的模型建立。

13.組合飛輪盤和曲軸。

14.對各部分進(jìn)行顏色渲染，打開顏色命令窗口，分部分選擇合適顏色對應(yīng)相應(yīng)的系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)[4]。

15.完成曲軸飛輪系統(tǒng)的模型建立，從不同角度顯示完成后的效果，如圖3所示。

圖3 曲軸—飛輪模型效果圖

其他3ds Max所建三維模型依此類似，其建模過程不再詳述。圖4為建好后的船舶柴油機(jī)三維模型。

圖4 柴油機(jī)整體三維模型效果圖

(二) Quest 3D三維場景創(chuàng)建

將3ds Max中建好的柴油機(jī)模型導(dǎo)入Quest 3D中，以進(jìn)行機(jī)艙三維場景的創(chuàng)建。Quest 3D場景主要由3D物體、攝影機(jī)及燈光組成，3D場景的編輯也主要是對這三者的編輯，可以在動畫編輯器中編輯，也可以通過編輯通道結(jié)構(gòu)中的相關(guān)通道來實(shí)現(xiàn)[5]。

關(guān)于燈光參數(shù)設(shè)計(jì)。進(jìn)入燈光標(biāo)簽視窗，對于所有的燈光都可以像編輯物體一樣去進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)或縮放的操作，在標(biāo)簽視窗的頂部列出了燈光的屬性，在其中可進(jìn)行燈光屬性、燈光顏色等方面的設(shè)置。全部模型導(dǎo)入完畢，燈光設(shè)置完成以后，整體效果如圖5所示。

圖5 全部模型導(dǎo)入完畢效果圖

(三) 添加漫游相機(jī)

漫游相機(jī)也稱“行走”相機(jī)，它的作用是以觀察者的視角在虛擬場景中進(jìn)行漫游，用戶可以控制行進(jìn)的方向和目的地。行走相機(jī)通道主要包括以下兩部分內(nèi)容：

1.Camera Logic（攝像機(jī)邏輯）部分創(chuàng)建了一個邏輯結(jié)構(gòu)，當(dāng)用戶按空格鍵時(shí)，攝像機(jī)回到初始位置，這個是默認(rèn)設(shè)置。

2.攝像機(jī)通道結(jié)構(gòu)本身。其中，在攝像機(jī)運(yùn)動矩陣中，用到了一個基類型為Vector（矢量）的Fast Collision Response（碰撞反應(yīng)）通道結(jié)構(gòu)來控制攝像機(jī)的位置。其通道下面的模塊主要用來控制攝像機(jī)的運(yùn)動設(shè)置、重力、碰撞半徑的大小、碰撞物體、攝像機(jī)焦距和視野半徑等參數(shù)。

這里要注意的是，當(dāng)所有參數(shù)設(shè)置完成之后，將Walkthrough Camera模塊連到Render通道上，而連接Camera Logic通道到Start3Dscene通道上。

在運(yùn)動的按鍵控制上，采用默認(rèn)設(shè)置。即：通過鍵盤上↑、↓、←、→鍵或者W、A、S、D鍵來進(jìn)行“行走”，通過鼠標(biāo)來確定視野方向。若要改“行走”速度，可以通過改變Movement文件夾里面的Speed模塊的值來實(shí)現(xiàn)，最終效果如圖6所示。

圖6 虛擬機(jī)艙行走漫游

五、結(jié)語

以往的輪機(jī)柴油機(jī)模擬器都是實(shí)物或者半實(shí)物輪機(jī)類型，而此次交互式仿真軟件開發(fā)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)之上，以虛擬場景中的模型作為控制對象，完全擺脫了對實(shí)物的依賴，從而實(shí)現(xiàn)了僅使用一臺電腦就可以對船舶柴油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真操作，在船員培訓(xùn)以及船舶設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

[1]Song J，Shi F Z.A Survey of Virtual Assembly System.Proceedings of SPIE，2003，5444：337-344.

[2]寧汝新，鄭軼.虛擬裝配技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].中國機(jī)械工程, 2005，8(16) ：139-144.

[3]瞿穎健,曹茂鵬.3ds Max 2010完全自學(xué)教程[M],人民郵電出版社,2010.

[4]火星時(shí)代.3ds Max 2010大風(fēng)暴[M],人民郵電出版社,2010.

[5]路朝龍.Quest 3D從入門到精通[M],中國鐵道出版社,2012.