黃凱旋

(集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021)

1 船舶工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應用

基于虛擬現(xiàn)實技術的船舶設計、虛擬模擬器、系統(tǒng)仿真及控制研究越來越多地受到關注，并廣泛應用于船舶工程、制造業(yè)、生產(chǎn)前的產(chǎn)品及工作過程展示、遠程教育等。船舶工程虛擬現(xiàn)實技術是一個較大的體系，學科交叉性大，涉及的應用范圍廣。在虛擬現(xiàn)實中，嶄新的人機交互工作方式，將大大提高工作效率，讓用戶更直觀、更準確地實現(xiàn)操作意圖[1，5]。

由于船舶機艙設備繁多、空間布置緊密、視景雜亂、圖像制作困難，使輪機模擬器至今與機艙視景無緣，只有推進裝置運轉工況參數(shù)的儀表指示仿真和報警顯示。除儀表控制臺(物理模型)之外，在操縱程序訓練中看不見機艙實物，只是依靠操作手柄或按鈕實現(xiàn)相應的運轉工況參數(shù)及聲音的模擬，以此設置各種故障時運轉工況參數(shù)的變化以訓練判斷故障的能力，因此在視景方面明顯落后于其他載運工具操縱模擬器。隨著信息技術的高速發(fā)展，采用虛擬現(xiàn)實、多媒體、三維動態(tài)仿真、漫游等實現(xiàn)機艙動感視景的技術條件已經(jīng)成熟[3-4]。目前在船舶工程虛擬現(xiàn)實應用研究方面，國內外還沒有形成完整的體系，處于將半物理仿真的模擬平臺向虛擬化轉化的階段[2]。本文以船舶工程虛擬現(xiàn)實開發(fā)與應用系統(tǒng)建設過程為背景，論述技術與應用問題及其解決辦法。

2 船舶工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能和結構

船舶工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建設的目的是為船舶工程的教學、科研和生產(chǎn)應用服務的，該系統(tǒng)必須具備以下的功能要求：(1)從教學目的考慮，系統(tǒng)必須具備全船的虛擬漫游，在漫游中通過交互設備實現(xiàn)對船舶設備(主要為機艙設備)虛擬操作，這些虛擬操作必須能夠使其他相關設備聯(lián)動響應，實現(xiàn)設備或機器的虛擬拆卸和裝配，以滿足設備結構教學和實操教學需要。(2)從科研目的考慮，系統(tǒng)應能夠實現(xiàn)對設備或機器進行虛擬設計、虛擬實驗或虛擬演示，實現(xiàn)制造前設備的工作過程預演和測試。(3)從生產(chǎn)應用需要考慮，可提供虛擬船舶設計、運行和試驗，也可提供船舶設備相關產(chǎn)品的虛擬設計、生產(chǎn)、修改和運行過程演示，可進行設備或產(chǎn)品的虛擬設計、修改，實現(xiàn)產(chǎn)品設計的零投入。

為此，對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能設計提出如下要求：

(1)虛擬輪機機艙(虛擬輪機模擬器)、虛擬船體、虛擬漫游、虛擬操作；

(2)設備或機器的虛擬拆裝；

(3)虛擬設計、協(xié)同設計；

(4)利用多終端及網(wǎng)絡系統(tǒng)的協(xié)同設計；

(5)虛擬實驗、進程演示；

(6)模型或數(shù)據(jù)庫建設。

3 船舶工程虛擬現(xiàn)實技術應用系統(tǒng)建設中的問題和解決方案

3.1 中心計算機選型存在的問題

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心設施是高性能工作站或程序、圖像處理設備，其主要問題是設備的選型和配置。中心計算機一般為高性能的專業(yè)圖形工作站(對于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng))或專業(yè)的大型并行計算機系統(tǒng)(對于海量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))，通常從系統(tǒng)的實時性(速度)、圖形處理能力、數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)學計算能力幾方面考慮。

大型圖形圖像和數(shù)據(jù)處理的設備有2種，(1)美國SGI公司的超級可視化計算機系統(tǒng)SGI系列；(2)PC集群系列。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要處理海量仿真圖形圖像數(shù)據(jù)，并且要求必須實時處理，即同時處理的數(shù)據(jù)量大，實時性要求高?？v觀目前計算機市場，只有第1種情況符合。SGI系列計算機內的CPU數(shù)量根據(jù)需要配置可達幾百個，內存的配置也可達幾十或上百GB。內存的使用也是其他所有計算機所不能比擬的，由于其采用Numaflex體系結構專利技術，對于SGI內任何 CPU來說，所有的內存都可使用，這是其他集群系列所遠不能比的，對于圖形的并行處理、實時性和圖形圖像等數(shù)據(jù)輸出通道有足夠保證。PC集群機雖然也可以由幾十臺或上百臺組成，但其對圖形的快速實時性方面卻遠不如SGI。原因之一是其單個CPU所能使用的內存有限，因此處理的數(shù)據(jù)量受到限制；原因之二是其輸出只有某一通道，對于圖形數(shù)據(jù)量太大、實時性要求高的系統(tǒng)難以實現(xiàn)。但如果圖形數(shù)據(jù)量小、實時性要求不高時，采用集群方式會節(jié)省很大成本。部分圖形工作站的比較可參閱表1。

表1 部分圖形工作站比較

3.2 軟件的集成應用存在的問題

應用軟件主要包括三維仿真建模、視景仿真驅動、系統(tǒng)建模等高端軟件，聲音模擬、動畫設計、實體設計等低端應用軟件。對于虛擬現(xiàn)實的大型系統(tǒng)，必須聯(lián)合多種軟件共同應用。為了協(xié)調不同軟件之間設計的互通問題，達到共同完成虛擬現(xiàn)實應用的對象，根據(jù)應用情況，集成本項目應用系統(tǒng)所需軟件：VegaPrime、Multigen Creator、CAXA、Pro/Engineer、Solidwork、3D MAX 等。低端部分可多人同時進行設計或建模的軟件有：CAXA、Pro/Engineer、Solidwork。模型設計后由高端調用，如圖 1所示。經(jīng)研究和調試，獲得了一些有參考價值的結果。

圖1 軟件協(xié)同應用

(1)Creator可通過中間插件Polytrans與主要CAD軟件進行數(shù)據(jù)交換，可轉換的格式主要有 Iges、Dxf、3DMAX等。Pro/E、UGS、CATIA是傳統(tǒng)的高端 CAD/CAE/CAM一體化軟件，與常用的CAD/CAE/CAM軟件之間有通用或專用的數(shù)據(jù)接口。

(2)各種CAD軟件只有通過權威組織制定的接口標準，才能進行數(shù)據(jù)交換，其中通用的數(shù)據(jù)接口主要有：

IGES：基本圖形轉換標準Initial Graphics Exchange Standard，大部分CAD軟件都采用此規(guī)范。

STEP：STEP的ISO正式代號為ISO 10303，是關于產(chǎn)品數(shù)據(jù)計算機表示和交換的國際標準。目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，并能夠描述產(chǎn)品整個生命周期中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

ACIS：用于保存關于實體對象信息的實體造型文件格式，該文件的后綴為*.sat。

x_t/x_b：即Parasolid內核文件，UG、Solidworks、Solidedge 等 軟 件 均以Parasolid為核心。內核文件能最大程度地避免數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)錯誤。

STL：用于有限元分析，大多數(shù)有限元軟件支持該文件的輸入；大多數(shù)三維CAD軟件支持該文件的輸出。

DWG、DXF：AutoCAD 軟 件 的文件格式，可用于跨平臺數(shù)據(jù)交互。三維CAD軟件與AutoCAD之間的數(shù)據(jù)轉換時，需要在轉換之前進行DWG輸入輸出配置。且三維軟件與AutoCAD之間的數(shù)據(jù)轉換，只限于工程圖和草圖。兩種軟件可以通過格式或中間軟件互相調用各自的設計模型，然而在實際應用中，任意兩種軟件間的模型調用均會產(chǎn)生模型信息的丟失或失真，因此就要在模型調用后進行人工修補。船舶工程虛擬現(xiàn)實應用平臺用于船舶虛擬仿真，其功能如上所述。所需要處理的設備模型非常巨大，船舶制造業(yè)主流專業(yè)軟件是Tribon與CADDS 5，目前他們之間尚無任何的數(shù)據(jù)接口，而如何將上述其他模型設計軟件設計的設備模型結合船舶主流軟件形成虛擬船舶，也將是后續(xù)的許多課題需要研究的。

3.3 軟件模型及數(shù)據(jù)庫建設

在解決了高端大型軟硬件系統(tǒng)后，該船舶工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠虛擬整條船舶的相關工作過程，實時性好。在其后的應用中，研發(fā)各種設備模型或數(shù)據(jù)庫就顯得尤為重要：(1)這些產(chǎn)品之間必須能夠兼容，特別是各種應用性的數(shù)據(jù)模型必須能夠連接到系統(tǒng)的主體軟件(或虛擬設計平臺)上，而不是封閉型的傻瓜式應用系統(tǒng)，目前銷售的很多虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品(如虛擬輪機模擬器模型、船體模型、各種機艙設備模型等)大都是封閉型的數(shù)據(jù)模型。(2)應該考慮這些數(shù)據(jù)模型是否提供二次開發(fā)功能，是否提供用戶使用的接口功能，即產(chǎn)品的接口代碼是否對用戶開放，產(chǎn)品的原碼是否可適當修改。(3)對于不同低端應用軟件，組成開放性的協(xié)同設計體系，設計結果可相互使用或轉換，能夠大大擴展虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應用。

[1]蔣革，宗曉曉.船舶虛擬設計技術綜述[J].江蘇船舶，2001(1):7-9.

[2]姜學智，李忠華.國內外虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀[J].遼寧工程技術大學學報，2004(6):238-240.

[3]朱曉軍，彭飛，朱志潔.艦船維修虛擬訓練平臺研究[J].中國修船，2003(3):34-37.

[4]史成軍，吳恒，郭晨.新型輪機模擬器系統(tǒng)功能和結構設計[J].大連海事大學學報，1999(11):56-60.

[5]胡小強.虛擬現(xiàn)實技術與應用[M].北京:高等教育出版社，2004.