鄒燕歆 周澤麟 傅卓琳 張紅偉 徐 晶

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 上海201913）

0 引 言

目前我國(guó)船舶工業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)從船舶方案論證到生產(chǎn)設(shè)計(jì)全面采用數(shù)字化的目標(biāo)，形成了全船在船、機(jī)、電、舾和內(nèi)裝五大專業(yè)的全三維設(shè)計(jì)能力，提供制造所需要的幾何信息和加工信息，指導(dǎo)生產(chǎn)建造與管理，縮減設(shè)計(jì)周期。但在整個(gè)船舶設(shè)計(jì)建造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，因方案設(shè)計(jì)修改而導(dǎo)致的生產(chǎn)建造返工情況屢見(jiàn)不鮮，特別是在現(xiàn)今船東要求基于安全、經(jīng)濟(jì)、效率以及注重以人為本的船舶舒適性訴求方面，船舶艙室方案的更迭愈發(fā)頻繁。

傳統(tǒng)的船舶艙室設(shè)計(jì)是以迭代的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行的，其前期基于合同的要求及船東的意見(jiàn)進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，船東依據(jù)設(shè)計(jì)出的圖紙及相關(guān)規(guī)范提出初步意見(jiàn)；而在建造后期評(píng)審過(guò)程中，仍會(huì)進(jìn)一步提出修改要求，從而可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期大幅延長(zhǎng)，增加改單量，造成設(shè)計(jì)建造成本的升高。為此，如何能在艙室設(shè)計(jì)過(guò)程中將用戶提出的需求和方案進(jìn)行預(yù)演，同時(shí)利用新科技把空間體驗(yàn)融入設(shè)計(jì)建造中，從源頭上減少設(shè)計(jì)更改、提升設(shè)計(jì)效率、增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。［1］

1 船舶VR艙室方案設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)踐

1.1 船舶VR艙室方案設(shè)計(jì)的提出

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是一項(xiàng)利用計(jì)算機(jī)建立模擬環(huán)境，以VR頭盔為典型輸出設(shè)備，構(gòu)建具有三維高度沉浸感虛擬世界的技術(shù)［2］?，F(xiàn)今，VR技術(shù)已越來(lái)越廣泛地運(yùn)用于各領(lǐng)域。在船舶領(lǐng)域中，因VR技術(shù)具備高度的沉浸性和交互性，在設(shè)備運(yùn)維、應(yīng)急消防、艙室居住體驗(yàn)等與人機(jī)工程和人因工程相關(guān)領(lǐng)域中均有應(yīng)用前景。

目前，液化氣船是江南造船承接的主力船型，其居住空間較小，用戶對(duì)艙室舒適度要求高。為設(shè)計(jì)建造更為舒適的船舶艙室，減少船東后期意見(jiàn)并提高交付效率，項(xiàng)目組選取某型液化氣船艙室進(jìn)行VR方案設(shè)計(jì)。

1.2 業(yè)務(wù)邏輯

VR交互漫游在船舶艙室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐將從源頭改變其方案評(píng)審模式，用VR評(píng)審替代原有的三維建模評(píng)審，提出相關(guān)設(shè)計(jì)意見(jiàn)，整體流程如圖1所示。

圖1 VR綜合評(píng)審流程

下文將從3個(gè)方面闡述船舶VR艙室方案設(shè)計(jì)及其應(yīng)用效果。

1.3 環(huán)境構(gòu)建

船舶艙室VR環(huán)境構(gòu)建是基于三維模型，結(jié)合VR技術(shù)，在不降低模型畫(huà)質(zhì)的條件下，使三維場(chǎng)景的刷新速度和用戶視點(diǎn)變化的速度保持一致，實(shí)時(shí)生成虛擬場(chǎng)景。另外，為避免出現(xiàn)掉幀造成VR眩暈，還需對(duì)船舶艙室VR環(huán)境中使用的三維模型及場(chǎng)景進(jìn)行輕量化處理。

（1）模型環(huán)境構(gòu)建

選取的艙室模型為船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)模型，采用1 : 1比例構(gòu)建，保證了數(shù)據(jù)源的唯一性。船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)模型主要以b-rep方式構(gòu)建，需要將其轉(zhuǎn)化為VR所需的網(wǎng)格模型；此外，為盡可能降低模型面數(shù)以提高VR顯示幀率，需使用去孔、重鑲嵌等多種網(wǎng)格拓?fù)鋬?yōu)化功能。待模型處理完成后，應(yīng)從軟件中將場(chǎng)景模型以后綴名為.FBX的格式輸出，導(dǎo)入VR開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，根據(jù)母型船或船東前期要求對(duì)模型材質(zhì)進(jìn)行敷設(shè)，敷設(shè)過(guò)程如圖2所示。

圖2 FBX模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

（2）光環(huán)境設(shè)置

為構(gòu)建與真實(shí)情況一樣的光環(huán)境效果，同時(shí)減輕VR渲染壓力，需要對(duì)模型進(jìn)行光照貼圖。首先根據(jù)設(shè)計(jì)方案布置光源，設(shè)置光強(qiáng)、色溫、飽和度以及反彈次數(shù)等參數(shù)值，對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行預(yù)計(jì)算并生成貼圖，檢查是否達(dá)到所需的光效要求。

1.4 功能開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

在業(yè)務(wù)初期階段，梳理用戶需求，同時(shí)對(duì)各業(yè)務(wù)需求中所需的功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

1.4.1 需求分析

（1）制定多種內(nèi)裝色彩方案

在船舶建造過(guò)程中，船東通常需要設(shè)計(jì)人員為其提供多種風(fēng)格的不同艙室色彩方案供其選擇。在傳統(tǒng)的船舶艙室設(shè)計(jì)方式中，船廠一般會(huì)通過(guò)搭建實(shí)體樣艙或提供靜態(tài)效果渲染圖供船東評(píng)審。但由于樣板艙的搭建成本高，重用性低，而靜態(tài)效果渲染圖無(wú)法使船東基于真實(shí)體驗(yàn)提出準(zhǔn)確意見(jiàn)，故需要引入VR技術(shù)以提供足夠逼真的艙室環(huán)境效果，使船東在VR環(huán)境中對(duì)艙室中各類軟裝材質(zhì)進(jìn)行全方位的觀察，配合實(shí)際燈光以快速確定色彩方案。

（2）空間布局方案

在有限的艙室環(huán)境中，船東對(duì)于軟裝家具等物品的空間布局需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合其喜好及需求來(lái)確定。為使船東在設(shè)計(jì)階段盡早確定符合其生活、工作需求的軟裝布置環(huán)境，需要應(yīng)用中具備各類布局方案快速切換功能，以供船東選擇。

（3）艙室環(huán)境交互

在傳統(tǒng)艙室設(shè)計(jì)中難以充分考慮環(huán)境交互的友好性，如需要對(duì)邊角位置等一些狹小區(qū)域的物體考慮抓取移動(dòng)的便利性，又如門窗是否可正常開(kāi)合。上述情境無(wú)法在普通三維設(shè)計(jì)的靜態(tài)環(huán)境中進(jìn)行判斷，以致后期此類問(wèn)題形成的改單較多，而VR環(huán)境中具備動(dòng)態(tài)交互的功能可滿足上述需求。

1.4.2 功能開(kāi)發(fā)

為艙室方案設(shè)計(jì)提供更真實(shí)的體驗(yàn)，項(xiàng)目組選擇手勢(shì)識(shí)別作為交互的方式，其中設(shè)備選取了目前領(lǐng)域較為領(lǐng)先的手勢(shì)控制器（Leap Motion），此設(shè)備是基于雙目攝像頭追蹤手指關(guān)節(jié)以進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別的，不同的手勢(shì)可通過(guò)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)不同功能的觸發(fā)，本應(yīng)用中主要交互功能均將基于此開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)開(kāi)發(fā)使用C#為主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。

基于分析出的運(yùn)用需求，項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)了如下功能：

（1）角色移動(dòng)

人機(jī)交互的重要方式之一是通過(guò)動(dòng)態(tài)手勢(shì)實(shí)現(xiàn)非接觸式的交互及控制。為了讓場(chǎng)景中的物體在VR環(huán)境下可自由交互，在工程環(huán)境中導(dǎo)入Leap Motion開(kāi)發(fā)插件，在此技術(shù)上進(jìn)行相應(yīng)的二次開(kāi)發(fā)，具體如下：在場(chǎng)景中設(shè)置一個(gè)角色控制器，對(duì)控制器始終添加向下重力作用，編寫(xiě)一個(gè)方法控制角色移動(dòng)，同時(shí)對(duì)手指進(jìn)行設(shè)置，規(guī)定相應(yīng)的固定手勢(shì)代表前進(jìn)和后退。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)建一個(gè)方法判斷控制器是否接觸到碰撞體，當(dāng)角色控制器碰到碰撞體，則停止移動(dòng)，未碰撞則繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前動(dòng)作。用戶佩戴VR顯示終端，通過(guò)Leap Motion識(shí)別器識(shí)別規(guī)定的移動(dòng)手勢(shì)，如圖3所示，即可觸發(fā)所開(kāi)發(fā)的移動(dòng)功能代碼，驅(qū)動(dòng)角色在場(chǎng)景中移動(dòng)。

圖3 VR環(huán)境中Leap Motion雙手模型

（2）材質(zhì)切換

為使船東在設(shè)計(jì)前期盡早確定軟裝材質(zhì)并形成訂購(gòu)清單，需要在VR環(huán)境中添加材質(zhì)切換功能。功能開(kāi)發(fā)流程如下：首先對(duì)不同類型家具設(shè)置不同UI層級(jí)，將待更換材質(zhì)的家具歸類到對(duì)應(yīng)層級(jí)；其次，編寫(xiě)材質(zhì)切換方法，通過(guò)獲取手勢(shì)觸碰到的物體層級(jí)屬性，利用循環(huán)遍歷層級(jí)內(nèi)所有模型，再設(shè)定通過(guò)UI按鈕觸發(fā)材質(zhì)切換。實(shí)現(xiàn)代碼如圖4所示。

圖4 數(shù)組循環(huán)遍歷

（3）開(kāi)關(guān)門交互

為對(duì)所設(shè)計(jì)柜門、房門和窗戶等開(kāi)合類家裝能否正常打開(kāi)進(jìn)行預(yù)判，需開(kāi)發(fā)相應(yīng)交互功能，流程如下：首先在柜子模型的基礎(chǔ)上設(shè)置碰撞體，創(chuàng)建SetTarget（）方法獲取目標(biāo)碰撞體，如圖5所示；其次，對(duì)模型設(shè)置剛體，并設(shè)定其旋轉(zhuǎn)慣量、質(zhì)量以及阻尼系數(shù)等物理屬性，確保與實(shí)際環(huán)境足夠接近，并對(duì)柜門進(jìn)行鉸鏈設(shè)置，以使柜門始終沿著某一軸轉(zhuǎn)動(dòng)；最后，在此基礎(chǔ)上設(shè)置交互代碼，通過(guò)手勢(shì)識(shí)別出抓取動(dòng)作，并通過(guò)關(guān)聯(lián)手與門的位置實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)門窗交互，以檢查各類型門開(kāi)合的狀態(tài)是否良好。

圖5 方法創(chuàng)建

（4）開(kāi)關(guān)燈交互

為有效判斷不同開(kāi)關(guān)燈按鈕位置的布置設(shè)計(jì)是否合理，項(xiàng)目組進(jìn)行了開(kāi)關(guān)燈交互功能開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)邏輯如下：在開(kāi)關(guān)燈轉(zhuǎn)換器上設(shè)置新按鈕，對(duì)其進(jìn)行碰撞體設(shè)置；使用SetActive（）方法控制燈光開(kāi)關(guān)，通過(guò)手與開(kāi)關(guān)的碰撞檢測(cè)觸發(fā)燈光開(kāi)閉。

（5）物體抓取

為使用戶在VR環(huán)境中對(duì)物體進(jìn)行體驗(yàn)式交互，特對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)的功能開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)流程如下：對(duì)所需交互的物體設(shè)置碰撞體，當(dāng)用戶與物體接觸碰撞，使用WaitForSeconds（）方法在接觸后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)顯示觸碰提醒，如圖6所示； 在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同物體現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的交互方式，自主設(shè)置物體交互自由度與角度，并選擇所需交互模式（懸浮、觸碰、抓取），用戶即可用所選擇的模式對(duì)相應(yīng)物體進(jìn)行交互。

圖 6 物體碰撞檢測(cè)

（6）自定義布局

自定義布局功能開(kāi)發(fā)具體如下：首先建立組以存放需要更換位置方案的物體對(duì)象；再創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組用以存放物體終點(diǎn)位置。當(dāng)物體要切換至另一布局方案時(shí)，點(diǎn)擊相應(yīng)的UI界面，調(diào)用此方法。利用循環(huán)遍歷物體組，將不同方案下的不同物體的終點(diǎn)位置進(jìn)行賦值（如圖7所示），物體會(huì)轉(zhuǎn)移到方案設(shè)定的位置，實(shí)現(xiàn)自定義布局。

圖 7 位置切換

1.5 效果實(shí)現(xiàn)

基于上述功能開(kāi)發(fā)，在具體場(chǎng)景中的效果實(shí)現(xiàn)如下。

1.5.1 方案切換

（1）材質(zhì)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)前期開(kāi)發(fā)的個(gè)性化材質(zhì)切換功能，用戶佩戴VR顯示終端進(jìn)行體驗(yàn)，在VR環(huán)境中使用Leap Motion手勢(shì)對(duì)物體進(jìn)行交互，通過(guò)UI界面，選擇所需材質(zhì)，觸發(fā)相應(yīng)功能完成材質(zhì)切換（如圖8所示），VR環(huán)境中的用戶可全方位查看所選擇的材質(zhì)方案效果。（2）模式切換

圖8 材質(zhì)方案切換

人因工程對(duì)用戶的心理產(chǎn)生的影響不可忽視，為最大限度獲得用戶對(duì)船舶艙室真實(shí)的反饋與意見(jiàn)，通過(guò)前期開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)模式切換和軟裝布置模式切換功能，以增強(qiáng)虛擬環(huán)境的真實(shí)體驗(yàn)感［3］。用戶可根據(jù)不同場(chǎng)景自由選擇，例如休憩模式下可選擇播放白噪聲為背景的自然音，休閑娛樂(lè)狀態(tài)下可選擇播放輕松舒緩的休閑音樂(lè)。此外，所開(kāi)發(fā)的軟裝布置模式切換功能可使用戶快速查看不同情境下的家具布置效果。如圖9所示。

圖9 模式切換

在上述不同模式中動(dòng)態(tài)切換可使用戶在VR環(huán)境下快速體驗(yàn)不同模式下的真實(shí)感受，在強(qiáng)化生理沉浸的同時(shí)提升心理沉浸感，增強(qiáng)環(huán)境信息的滲透［4］，以便于其準(zhǔn)確提出更多體驗(yàn)式相關(guān)的改進(jìn)意見(jiàn)，這是僅通過(guò)觀察三維模型無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

1.5.2 體驗(yàn)式交互反饋

體驗(yàn)式交互是基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)新體驗(yàn)的核心，它打破機(jī)械間冰冷交流，使人機(jī)之間產(chǎn)生更融洽和諧的交互［5］。通過(guò)開(kāi)發(fā)，用戶即可在VR環(huán)境中進(jìn)行自主體驗(yàn)交互，對(duì)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行判斷并提出在傳統(tǒng)三維設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)法發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題：

（1）空間可達(dá)性

對(duì)于不同艙室空間設(shè)計(jì)大小是否合適，在三維漫游中只能進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)量，無(wú)法基于人的體驗(yàn)進(jìn)行合理調(diào)整，人機(jī)交互性差。在VR環(huán)境中使用角色移動(dòng)與自定義布局功能，在艙室模型環(huán)境構(gòu)建相應(yīng)的碰撞體組件，模擬用戶在艙室環(huán)境中按照現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)需求移動(dòng)至對(duì)應(yīng)區(qū)域，如此可輔助用戶對(duì)空間可達(dá)性進(jìn)行合理判斷，以確定其設(shè)計(jì)是否合適。

（2）布局合理性

在艙室布置設(shè)計(jì)中，軟裝布局方案主要由用戶主觀意識(shí)所決定。通過(guò)VR交互，在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)場(chǎng)景需進(jìn)行的操作（如行李箱推拉、桌子移動(dòng)、常用物品的抓放等），操作者可根據(jù)自身肢體執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作的舒適程度對(duì)物體的空間布置進(jìn)行合理性預(yù)判。

（3）物體操作性

相較于三維漫游無(wú)法對(duì)設(shè)計(jì)的物體是否具有可操作性進(jìn)行判斷，用戶在VR環(huán)境中可通過(guò)Leap Motion手勢(shì)操作環(huán)境中的虛擬物體（圖10所示，如放置在角落里的儲(chǔ)物柜），通過(guò)手勢(shì)操作柜門的開(kāi)啟與關(guān)閉，判斷其開(kāi)合是否存在阻擋，減少后期需返工重新修改設(shè)計(jì)的可能性。

圖10 VR環(huán)境下物體交互

通過(guò)在虛擬環(huán)境中對(duì)設(shè)計(jì)在書(shū)柜下的房間燈光開(kāi)關(guān)控制器進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，判斷其設(shè)計(jì)位置是否合適，在真實(shí)環(huán)境中是否具有良好的操作性，在設(shè)計(jì)前期即可對(duì)其進(jìn)行具體的考量。

1.6 對(duì)比與分析

通過(guò)將所開(kāi)發(fā)應(yīng)用進(jìn)行局部艙室區(qū)域測(cè)試，傳統(tǒng)艙室方案設(shè)計(jì)與VR交互式方案設(shè)計(jì)具體對(duì)比情況如表1所示。

表 1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與VR交互式方案設(shè)計(jì)比較

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通過(guò)上述比較可見(jiàn)VR交互式方案設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)明顯：首先，相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中僅通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤進(jìn)行模型旋轉(zhuǎn)縮放的查看方式，VR技術(shù)可更方便地查看艙室模型中包括狹小空間的內(nèi)外部所有區(qū)域；在評(píng)審環(huán)節(jié)，用VR評(píng)審相較傳統(tǒng)模型查看的評(píng)審方式更易發(fā)現(xiàn)體驗(yàn)性及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方面的問(wèn)題，相較需要搭建實(shí)體樣艙的評(píng)審方式節(jié)約了大量建造物料成本、人力成本及時(shí)間成本。

2 結(jié) 語(yǔ)

本文基于VR技術(shù)構(gòu)建了船舶艙室VR方案設(shè)計(jì)應(yīng)用，將數(shù)字化體驗(yàn)式設(shè)計(jì)應(yīng)用于船舶艙室方案設(shè)計(jì)，以第一人稱視角實(shí)時(shí)展示全船各艙室的虛擬設(shè)計(jì)三維場(chǎng)景，通過(guò)物體碰撞交互、材質(zhì)任意切換、音效添加等多種交互功能構(gòu)建互動(dòng)體驗(yàn)，為船東提供多種艙室設(shè)計(jì)方案。與常規(guī)三維漫游設(shè)計(jì)方案相比，VR艙室方案設(shè)計(jì)具有環(huán)境逼真、沉浸感強(qiáng)、針對(duì)性高等特點(diǎn)，方便用戶在建造前對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速切換，使其更早、更快且更準(zhǔn)確地提出方案設(shè)計(jì)中的相關(guān)意見(jiàn)。如此不僅降低了設(shè)計(jì)成本，也使船舶艙室設(shè)計(jì)效果實(shí)現(xiàn)甚至超越客戶預(yù)期。

“VR+船舶”的船舶設(shè)計(jì)模式，是對(duì)傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)造船業(yè)基礎(chǔ)進(jìn)行變革，其沉浸性與先行性也將應(yīng)用于船舶各相關(guān)配套環(huán)境下，如船艙火災(zāi)應(yīng)急演練、船舶內(nèi)部維修維護(hù)培訓(xùn)和船舶內(nèi)部最優(yōu)路徑選擇等。上述創(chuàng)新與變革的落地，將使我國(guó)數(shù)字造船技術(shù)邁上新的臺(tái)階，推進(jìn)我國(guó)數(shù)字造船的進(jìn)一步發(fā)展。