劉 丹，王雯艷

(南昌工學(xué)院，江西 南昌 330108)

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)真實(shí)空間的物體進(jìn)行抽象建模，保留了物體的各種物理特性，同時(shí)能夠借助計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大、硬件的性能，從而使用戶能夠體驗(yàn)到仿佛置身其境中的感覺(jué)，模擬出虛擬環(huán)境中的環(huán)境變化，用較為簡(jiǎn)單的方式完成人與機(jī)器之間的融合[1- 3]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在船舶領(lǐng)域有較多的應(yīng)用場(chǎng)景，而本文基于VR 技術(shù)結(jié)合人工智能的圖像分割技術(shù)，對(duì)大型艦船的艙內(nèi)空間進(jìn)行優(yōu)化，采用系統(tǒng)化的方式對(duì)虛擬空間的設(shè)備進(jìn)行操控，然后融入傳感技術(shù)、三維建模，對(duì)大型艦船艙內(nèi)空間加以優(yōu)化。以期能夠更好地為船員展示艙內(nèi)虛擬場(chǎng)景，使其在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中能夠加快數(shù)據(jù)的傳輸，采取多通道的傳輸方式展示出虛擬環(huán)境中的漫游場(chǎng)景，從而給船員一種身臨其境的感覺(jué)，同時(shí)也是虛擬技術(shù)與運(yùn)動(dòng)模式之間的一種融合體驗(yàn)[4- 5]。

1 大型艦船艙內(nèi)空間優(yōu)化策略

1.1 艦船的虛擬化需求分析

視覺(jué)是人類感受自然最為直觀的一種方式，一個(gè)舒適柔和的光線或是搭配適宜的色彩，都可以為人的視覺(jué)感官帶來(lái)一定的放松，從而提升其對(duì)身邊所處環(huán)境的舒適感。因此基于VR 技術(shù)對(duì)艙內(nèi)空間進(jìn)行交互式設(shè)計(jì)，并借助圖像分割對(duì)艙內(nèi)空間進(jìn)行合理劃分，可以更為細(xì)致全面地描述出艙內(nèi)主機(jī)、通訊導(dǎo)航設(shè)備、操舵系統(tǒng)、通道系統(tǒng)等細(xì)節(jié)，在營(yíng)造視覺(jué)舒適度的同時(shí)，加強(qiáng)船員對(duì)艙內(nèi)零部件的熟悉程度，提升船員工作效率。

1.2 船艙虛擬環(huán)境的互動(dòng)

通過(guò)對(duì)大型艦船不同功能的船艙進(jìn)行劃分，可以對(duì)應(yīng)采用不同的行為以及空間進(jìn)行分析，因此通過(guò)空間設(shè)計(jì)、交互式設(shè)計(jì)、VR 技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行，可以讓大型艦船艙內(nèi)環(huán)境與船員行為達(dá)到一個(gè)高度的統(tǒng)一，降低因?yàn)椴皇煜づ搩?nèi)空間而導(dǎo)致不良事故的發(fā)生。現(xiàn)如今，隨著船舶工業(yè)化的發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者開始從建筑空間的角度圍繞大型艦船展開了艙內(nèi)的舒適度設(shè)計(jì)，旨在行為舒適度上能夠滿足船員的一日生活需求。此外，目前有不少學(xué)者在具體的材料選擇上進(jìn)行了充分考量，通過(guò)適當(dāng)?shù)囊肴藱C(jī)工程學(xué)相關(guān)理論知識(shí)，在空間的分割過(guò)程中可以借助大型艦船艙內(nèi)墻體等物體進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，從而滿足船員在作業(yè)的時(shí)候能夠合理有序地安排行為流線，提升其在艦船艙內(nèi)的行為舒適度。

2 大型艦船艙內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)空間圖像分割理論分析

虛擬現(xiàn)實(shí)圖像分割是從圖像中抽取有意義的部分或區(qū)域，進(jìn)行分割后并提取出有用參數(shù)。尤其是在軍事領(lǐng)域得到很大的運(yùn)用，有助教官對(duì)監(jiān)察對(duì)象的相關(guān)背景進(jìn)行分析。因此引入人工智能的圖像分割技術(shù)，從關(guān)鍵環(huán)境中抽取出所需要的像素域，需要對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

自適應(yīng)閾值判定方式，在實(shí)際應(yīng)用中，能對(duì)圖像的灰度特征進(jìn)行自適應(yīng)識(shí)別，具體分為圖像背景和物體本身2 個(gè)圖像區(qū)域。

大型艦船艙內(nèi)空間結(jié)構(gòu)如圖1 所示，背景與對(duì)象的類型間差異愈大，則表示2 個(gè)要素的差異愈大，而將局部目標(biāo)錯(cuò)誤劃分為背景或局部背景錯(cuò)誤則會(huì)使2 個(gè)區(qū)域的差異減小。所以，最大類間差異分割是最小的錯(cuò)誤概率。對(duì)于圖像I（x，y），用T表示前景（也就是對(duì)象）和背景的劃分閾值，并且屬于前景的像素點(diǎn)數(shù)量在整個(gè)畫面中的比率用歐ω0表示，其平均灰度μ0；在整個(gè)圖像中，背景像素點(diǎn)的數(shù)量為μ1，其平均灰度值為μ2。用μ表示圖像的整體平均灰度，用g表示類間方差。假定圖像的背景為黑色，圖像尺寸為M×N，而在圖像中，如果像素的灰度值低于像素?cái)?shù)量閾值，則被記錄為N0，反之則為N1，則可算出：

圖1 大型艦船艙內(nèi)空間結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Spatial structure of large ship cabins

3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的艙內(nèi)空間特征提取

3.1 虛擬艙內(nèi)空間面積的計(jì)算

區(qū)域面積是指大型艦船艙內(nèi)空間一個(gè)大致的形貌特征。本文統(tǒng)計(jì)的艙內(nèi)區(qū)域面積大小與艙內(nèi)的各種像素有關(guān)，而與艙內(nèi)灰度變化無(wú)關(guān)。其中像素值為1 說(shuō)明艙內(nèi)有可以捕捉到的設(shè)備，像素值為0 則代表艙內(nèi)背景。據(jù)此列出艙內(nèi)面積分割公式為：

式中：R為艙內(nèi)各設(shè)備像素的集合，通過(guò)對(duì)艙內(nèi)圖像進(jìn)行分割，得出區(qū)域面積。

利用對(duì)大型艦船艙內(nèi)空間的圖像分割技術(shù)分析結(jié)果，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)分析數(shù)據(jù)，對(duì)本文選取的某大型艦船艙內(nèi)空間面積進(jìn)行估計(jì)，計(jì)算第k個(gè)點(diǎn)y坐標(biāo)，得出公式：

式中，εi為第i個(gè)鏈碼值。計(jì)算大型艦船艙內(nèi)相應(yīng)的邊界面積為：

3.2 艙內(nèi)作業(yè)區(qū)域的質(zhì)心

大型艦船艙內(nèi)空間目標(biāo)的質(zhì)心。是指艙內(nèi)相關(guān)設(shè)備在圖像中的重心位置。本文對(duì)大型艦船艙內(nèi)空間相關(guān)設(shè)備MN 的數(shù)字圖像設(shè)為f（x，y），其區(qū)域質(zhì)心定義如下：

基于以上二值圖像，對(duì)大型艦船艙內(nèi)空間的灰度變化進(jìn)行分析，并借助幾何矩來(lái)計(jì)算目標(biāo)大型艦船艙內(nèi)空間的質(zhì)心，定義如下：

最后得到灰度變化量隨樣本數(shù)量的變化曲線如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著樣本數(shù)量的增加，灰度變化量也隨指數(shù)倍上漲，上漲速度也越來(lái)越快。

圖2 灰度變化量隨樣本數(shù)量的變化曲線Fig.2 Variation curve of grayscale variation with sample size

通過(guò)準(zhǔn)確描述大型艦船艙內(nèi)空間設(shè)備在圖像中的方向，可以提高操作人員對(duì)空間目標(biāo)的操控精度，在進(jìn)行艙內(nèi)物品互動(dòng)操作時(shí)，通常需要先將空間物體的最小慣量軸的最小值E對(duì)其進(jìn)行定義：

式中：r為點(diǎn)（x,y）到該直線的垂直距離。

中心距為：

大型艦船艙內(nèi)的空間圖像區(qū)域方向，計(jì)算為：

3.3 虛擬區(qū)域的周長(zhǎng)

為了準(zhǔn)確獲得大型艦船艙內(nèi)空間的周長(zhǎng)和三維空間尺寸，一般需要對(duì)以下幾種區(qū)域的邊界進(jìn)行計(jì)算：

1）區(qū)域和背景交界線的長(zhǎng)度；

2）區(qū)域邊界8 鏈碼的長(zhǎng)度；

3）邊界點(diǎn)數(shù)之和。

設(shè)區(qū)域的周長(zhǎng)是L，其周長(zhǎng)計(jì)算如下：

最終，在對(duì)大型艦船艙內(nèi)空間各部分進(jìn)行系統(tǒng)的收集及計(jì)算后，基于VR 技術(shù)對(duì)其建模，搭建艙內(nèi)空間環(huán)境，并對(duì)其舒適性進(jìn)行改造。

4 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的大型艙內(nèi)空間布局設(shè)計(jì)

基于圖像分割技術(shù)，結(jié)合使用VR-BWS 虛擬場(chǎng)景，對(duì)大型艦船艙內(nèi)空間進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)交互式設(shè)計(jì)。

4.1 艙內(nèi)空間優(yōu)化步驟

步驟1 優(yōu)化空間物體邊緣過(guò)渡的流暢性。為了使空間形成形式美的規(guī)律，它樸素的幾何形體，經(jīng)過(guò)合理利用，還可以使空間形式多樣化、抽象化。而在空間的優(yōu)化思路上，則需要秉承著以人為本的設(shè)計(jì)原則對(duì)其進(jìn)行合理規(guī)劃，旨在為船員改善艙內(nèi)空間生活及工作品質(zhì)。

步驟2 對(duì)虛擬艙內(nèi)環(huán)境進(jìn)行渲染?；赩R 技術(shù)對(duì)艦船艙內(nèi)空間進(jìn)行優(yōu)化，要充分考慮到現(xiàn)實(shí)空間的采光需求，因此在進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，不僅需要將諸如齒輪箱、變距槳、舵機(jī)等不需要頻繁由船員操作的機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行隱藏，保持艙內(nèi)美觀，同時(shí)也需要在空間優(yōu)化設(shè)計(jì)方面更加重視色調(diào)的統(tǒng)一。并且艙內(nèi)設(shè)計(jì)在色彩的運(yùn)用上，也需要保持色調(diào)的統(tǒng)一，避免船員在工作中被過(guò)于絢爛的色彩干擾，因此在艙內(nèi)色彩的選擇上，可以將主色調(diào)控制在3 種顏色以內(nèi)，并通過(guò)同一種顏色的大范圍使用，確?？臻g純粹性。此外，艙內(nèi)恰當(dāng)?shù)牧舭?，也可以讓空間更純粹、靈動(dòng)與自然，給船員營(yíng)造出一個(gè)靜謐恬靜之感，從而提升船員的舒適度。

4.2 三維虛擬現(xiàn)實(shí)模型的建立

使用3dMax 軟件對(duì)當(dāng)前環(huán)境初步設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)后使用3ds 格式保存當(dāng)前數(shù)據(jù)，然后使用Multigen Creator 軟件對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)Multigen Creator對(duì)每一個(gè)涉及到的零件創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，再通過(guò)Multigen Creator 對(duì)當(dāng)前已有圖片進(jìn)行編輯，也可以刪除不合理圖片，同時(shí)還支持后期能夠調(diào)整或增加零件的功能。

在相關(guān)參數(shù)上，首先基于某大型艦船的相關(guān)數(shù)據(jù)資料完成艙內(nèi)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建，然后再使用Open Flight 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化，同時(shí)也能更好地展示出仿真的作用，最后得出三維模型。建模精度隨時(shí)間變化曲線如圖3 所示?？芍摂M環(huán)境中物體的建模精度始終處于相對(duì)穩(wěn)定的變化區(qū)間內(nèi)，建模精度非常高。

圖3 建模精度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Modeling accuracy versus time curve

4.3 虛擬模型數(shù)據(jù)的融合及優(yōu)化

模型建造前還需要檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境是否合理，可采用美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所研發(fā)的ARC/INFO 工具進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理 ，其中遇到不合理的地方時(shí)可以通過(guò)調(diào)整數(shù)據(jù)輸出的方式改變地形。

關(guān)于艙內(nèi)各空間地形的展示，也離不開數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型，高程模型能夠更好的將整體化分為大小相等的網(wǎng)格狀，每個(gè)網(wǎng)關(guān)都代表不同點(diǎn)位的數(shù)據(jù)信息。采用三維方式建模時(shí)，需要提前將DEM 數(shù)據(jù)通過(guò)Multigen Creator 軟件對(duì)當(dāng)前格式修改。

修改后的數(shù)據(jù)可使用CAT 對(duì)地形模型初步建造，同時(shí)會(huì)將多余數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化。模型建造時(shí)不同網(wǎng)格表現(xiàn)形式有較大變化，與理想狀態(tài)不符或者需要修改時(shí)可采用Multigen Creator 軟件重新調(diào)整，然后再采用特殊的投屏方式展示出來(lái)，投屏?xí)r可采用經(jīng)緯度的方式展示，以便能夠更好地觀看艦船艙內(nèi)的三維虛擬全景。

4.4 設(shè)計(jì)結(jié)果

本次關(guān)于大型艦船艙內(nèi)空間優(yōu)化，通過(guò)3D 建模得出了如下圖4 所示的大型艦船艙內(nèi)空間整體效果意向圖。整個(gè)三維圖像非常逼真，各個(gè)物體之間的過(guò)渡也非常平滑，說(shuō)明虛擬現(xiàn)實(shí)效果非常好。

圖4 大型艦船艙內(nèi)空間整體效果意向圖Fig.4 Intention diagram of the overall effect of the interior space of large ships

5 結(jié) 語(yǔ)

使用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)大型艦船艙中不同場(chǎng)景的變化，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)船員的需求提供不同的功能和性能，通過(guò)三維系統(tǒng)的建模和參數(shù)優(yōu)化，艙內(nèi)的各個(gè)功能塊圖像能夠良好的融合，然后利用Multigen Creator 軟件對(duì)艙內(nèi)的空間布局進(jìn)行大量的自動(dòng)優(yōu)化，能夠最大化合理利用艦船的空間。