虛擬環(huán)境的船舶駕駛系統(tǒng)

1、. .虛擬環(huán)境的船舶駕駛系統(tǒng)一、主題設(shè)想："模擬航船2021"( Ship Simulator2021) 多投影面環(huán)幕虛擬仿真的船舶駕駛系統(tǒng)1、立意我們生活在北方，每天，當(dāng)晨曦即將滑過長夜之際，大地是如此的神秘和靜謐。而那對于大海和船，只是覺得好美的字眼、熟悉而又陌生的感覺而航海生涯更是多少男人與女人的夢想，大?？偸悄芙o我們帶來許多神秘感和向往！本設(shè)計(jì)就是通過虛擬仿真的船舶駕駛的形式，讓人們和大海有親密接觸，讓你在陸地上“開船。嚴(yán)格來說這并不是為娛樂性而設(shè)計(jì)的模擬游戲，而算是一個(gè)船舶駕駛訓(xùn)練模擬程式。在這里提供最真實(shí)的駕船環(huán)境，來讓各位實(shí)地執(zhí)行操控，引航，等工作，并利用各種

2、導(dǎo)航工具如GPS來幫助各位順利到達(dá)目的地，才算是一個(gè)成功的駕駛?cè)藛T。此外程式支援滑鼠，鍵盤及搖捍，人們以使用最適合自己的操控方式來進(jìn)入駕船的領(lǐng)域，享受開船的樂趣，何樂而不為呢。2、目的綜合利用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、自動控制理論、視覺仿真技術(shù)、人體工程學(xué)基于計(jì)算機(jī)平臺構(gòu)造出了一個(gè)具有高度真實(shí)感和實(shí)時(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)構(gòu)造先進(jìn)、功能齊備、運(yùn)行穩(wěn)定，仿真環(huán)境具有高度的真實(shí)感和實(shí)時(shí)性，是船舶仿真研究、培訓(xùn)、娛樂的理想平臺，具有廣闊的市場前景和應(yīng)用推廣價(jià)值。3、方式是一款全新的模擬船舶駕駛系統(tǒng) 。人們將身任舵手，在驚濤駭浪中駕駛各種不同的航船，其中包括巨型貨輪、油輪、拖船、豪華的游艇

3、等八種類型，甚至還有一款“泰坦尼克號，你在一個(gè)虛擬環(huán)境中將面對各種問題，并不停地解決問題，人們將深切感受到各種船只的操控性。4、期待結(jié)果結(jié)合視覺仿真技術(shù)與人體工程學(xué)方面的知識，在模擬船舶駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以給真正熱愛游艇駕駛樂趣的朋友無限欣喜，希望是fans最愛吧。二、市場調(diào)研1、同類主題性分析1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述近年來，隨著計(jì)算機(jī)、信息等高科技的迅猛開展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)在工程領(lǐng)域(如汽車制造，虛擬社區(qū)等)、教育領(lǐng)域(如方程不定解，化合物分子構(gòu)造顯示等)、娛樂領(lǐng)域(如電腦太空旅游、3D動感游戲等)、醫(yī)療領(lǐng)域(如遠(yuǎn)程醫(yī)療，遠(yuǎn)程診斷等)和商業(yè)領(lǐng)域(如虛擬網(wǎng)上商城和產(chǎn)

4、品動態(tài)展示等)等得到了越來越廣泛的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅是信息領(lǐng)域科技工作者和產(chǎn)業(yè)界的研究、開發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)，而且也是多種媒體竟相報(bào)道的熱點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種由計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)造的新世界，是一個(gè)看似真實(shí)的模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備，用戶可根據(jù)自身的感覺，使用入的自然技能對虛擬世界中的物體進(jìn)展考察和操作，參與其中的事件，同時(shí)提供視覺、聽覺、觸覺等直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知，并使參與者“沉浸于模擬環(huán)境中。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的、實(shí)時(shí)動態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)所生成

5、的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運(yùn)動等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動，眼睛、手勢、或其他人體行為動作，由計(jì)算機(jī)來處理與參與者的動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對用戶的輸入做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，并分別反響到用戶的五官傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備。常用的有立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)衣等穿戴于用戶身上的裝置和設(shè)置于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的傳感裝置，如攝像機(jī)、地板壓力傳感器、交互等。2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)己在娛樂、醫(yī)療、工程與建筑、教育與培訓(xùn)、科學(xué)和金融可視化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，并有著良好的開展前景。1)工程領(lǐng)域：虛擬環(huán)境下激發(fā)設(shè)計(jì)人員的想象力和創(chuàng)造力，設(shè)計(jì)過程直

6、觀、無需物理樣機(jī)，大大縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約本錢，如波音777；虛擬社區(qū)、虛擬城市展示、房地產(chǎn)、城市規(guī)劃等。圖1虛擬海上作戰(zhàn)系統(tǒng)圖2多投影面環(huán)幕虛擬城市展示2)教育領(lǐng)域：在科技研究，虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)等方面應(yīng)用廣泛。人體模型、電腦太空旅游、化合物分子構(gòu)造顯示等應(yīng)用，使學(xué)習(xí)過程更加豐富，從而能更形象地獲取知識，激發(fā)想象力、提高學(xué)習(xí)興趣。3)商業(yè)領(lǐng)域：虛擬網(wǎng)上商城和產(chǎn)品動態(tài)展示等為現(xiàn)代電子商務(wù)提供了更方便有效的途徑。虛擬演播室的開展在更好的傳遞信息的同時(shí)，也產(chǎn)生了很大的經(jīng)濟(jì)效益。4)娛樂領(lǐng)域：逼真的虛擬環(huán)境，以及各種交互手段的應(yīng)用，給與用戶很強(qiáng)的感官刺激，使人們能夠享受其中的樂趣，帶來更好的娛樂感受。

7、5)高難度和危險(xiǎn)環(huán)境下的作業(yè)訓(xùn)練：如醫(yī)療手術(shù)訓(xùn)練的VR系統(tǒng)和對哈勃太空望遠(yuǎn)鏡維修的地面訓(xùn)練等。2、可行性分析提及互動娛樂，除了傳統(tǒng)的互動娛樂產(chǎn)業(yè)，人們首先想到的是網(wǎng)絡(luò)游戲。網(wǎng)絡(luò)游戲?qū)蕵返膮⑴c者來說依然是被動的，他的操作只是在程序員制定范圍之內(nèi)的"互動"，同時(shí)參與者不但不能身臨其境的沉浸于作品，也無法依照自己的意愿對作品進(jìn)展改變或創(chuàng)造。 而虛擬現(xiàn)實(shí)不僅有實(shí)時(shí)的、逼真的、高解像度的場景，而且有一套復(fù)雜的交互感應(yīng)設(shè)備，以此來實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境的現(xiàn)實(shí)融合，并通過最自然的操作來完成輸入輸出，使場景更加逼真，自身能夠參與互動，人們通過在這個(gè)由各種現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)制品或者是純粹夢想構(gòu)建起來的世界

8、里，通過語環(huán)境產(chǎn)生的互動，獲得酷似真實(shí)的體驗(yàn)。 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來的虛擬實(shí)訓(xùn)基地，其“設(shè)備與“部件多是虛擬的，可以根據(jù)隨時(shí)生成新的設(shè)備。教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的開展。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。由于虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無任何危險(xiǎn)，學(xué)生可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。多投影面環(huán)幕虛擬環(huán)境的船舶駕駛系統(tǒng)為虛擬現(xiàn)人機(jī)自然實(shí)交互技術(shù)的研究提供了一個(gè)很好的平臺，并且其在娛樂和體育領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，也為一種新型的娛樂方式提供一個(gè)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的設(shè)想和思路。例如

9、：在虛擬的駕駛船訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)員可以反復(fù)操作控制設(shè)備，控制一艘那么大的船在港口里航行需要點(diǎn)技巧和耐心的，何況在轉(zhuǎn)彎和航行時(shí)還需要注意躲避過往船只，注意力要高度集中。學(xué)員們通過反復(fù)訓(xùn)練，到達(dá)熟練掌握駕駛技術(shù)的目的。同時(shí)也能體會“駕船的快樂。因此，多投影面環(huán)幕虛擬環(huán)境的船舶駕駛系統(tǒng)的研究是一個(gè)可行的并且十分有意義的課題方向。實(shí)現(xiàn)這二者的結(jié)合將構(gòu)成一個(gè)完整的具有沉浸感、交互性的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。在此根底上再進(jìn)一步進(jìn)展復(fù)雜虛擬場景的構(gòu)建，力反響、位置反響、觸覺反響等交互方式的研究和虛擬裝配的研究等將能夠?qū)崿F(xiàn)更為全面和完善的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，也為今后的研究工作和應(yīng)用推廣打下了一個(gè)良好的根底和鋪墊。3、技術(shù)分析多

10、投影面沉浸式虛擬環(huán)境是一種能夠?yàn)橛脩籼峁捯晥鼋?，高分辨率、高質(zhì)量三維立體圖像的具有高度沉浸感和良好交互性的支持多用戶的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。隨著基于PC的多通道顯示系統(tǒng)的出現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)大大降低，此類系統(tǒng)日漸受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。多通道大屏幕立體顯示系統(tǒng)在虛擬樣機(jī)工程、產(chǎn)品展示、教育培訓(xùn)、系統(tǒng)仿真和娛樂等領(lǐng)域展露出了強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。該系統(tǒng)主要由投影系統(tǒng)、圖形生成系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、中央控制系統(tǒng)以及交互系統(tǒng)這五局部組成。交互船只是屬于交互系統(tǒng)的一局部。實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的虛擬漫游系統(tǒng)后，參與者將可以通過駕船的方式漫游虛擬場景，與虛擬世界產(chǎn)生交互，實(shí)現(xiàn)了交互形式的多樣化，豐富了交互手段。多投影面環(huán)幕虛擬環(huán)境

11、的航船系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：環(huán)幕立體顯示，由5通道拼接，多個(gè)通道同步顯示圖像；2200寬視場角演示環(huán)境，視場角寬，沉浸感好； 各個(gè)通道顯示分辨率到達(dá)1024×768；采用偏振光立體顯示技術(shù)，使觀察者獲得較強(qiáng)的沉浸感；基于PC的顯示系統(tǒng)，本錢低廉，易于維護(hù)與升級。為了使大型環(huán)幕顯示系統(tǒng)展現(xiàn)出逼真流暢的場景畫面，讓用戶通過特定的交互方式體驗(yàn)身臨其境般的沉浸感，系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)生成高質(zhì)量的場景畫面。其中的關(guān)鍵技術(shù)包括：一、各通道畫面間(曲面)的無縫拼接、幾何校正。多通道系統(tǒng)用于顯示同一場景時(shí)，各通道畫面應(yīng)彼此銜接，形成渾然一體的顯示效果，給參與者一種自然流暢的寬視場角的視覺感受。因此，多通道系

12、統(tǒng)的底層支持軟件必須提供通道自動配置功能，實(shí)現(xiàn)各通道視場角的無縫拼接和幾何校正；二、通道閫的邊緣融合。為了使各個(gè)通道銜接自然，我們在進(jìn)展視錐劃分時(shí)各通道的畫面有一些重疊，反響在實(shí)際中各個(gè)通道的銜接處會有來自兩臺甚至多臺投影機(jī)的覆蓋，從而形成一道“亮縫。所以在多通道系統(tǒng)的底層支持軟件必須能夠利用提供邊緣融合的功能，消除通道間的亮縫；三、各通道間畫面運(yùn)動同步。多通道系統(tǒng)在顯示運(yùn)動場景時(shí)，各通道畫面的運(yùn)動必須彼此同步，以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)一致的顯示效果。為此，多通道系統(tǒng)的底層支持軟件必須提供各通道運(yùn)行的畫面幀同步機(jī)制；四、多通道畫面的顏色均衡。多通道系統(tǒng)用于顯示同一場景時(shí)，多個(gè)投影器的顏色、亮度不一致會導(dǎo)致寬

13、視場角畫面的分片分段，使整體畫面沉浸感不強(qiáng)。因此，多通道系統(tǒng)的底層支持軟件必須提供通道間顯示畫面的顏色一致性調(diào)整和亮度均衡功能，以保證整個(gè)場景的亮度均衡、顏色一致。三、籌劃及腳本描述1、作品內(nèi)容：1以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為根底，綜合運(yùn)用了傳感器技術(shù)、DSP控制技術(shù)、三維建模技術(shù)，采用了多線程，非阻塞的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊技術(shù)，并通過立體顯示等多通道交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人在虛擬環(huán)境中的漫游。2使參與者感受到與場景一致的航海的感覺，使參與者在由計(jì)算機(jī)構(gòu)造的虛擬場景中獲得了類似在真實(shí)環(huán)境中駕駛船的體驗(yàn)。3具有完善的綜合導(dǎo)航、自動操船、自動避碰、豐富的圖形界面，實(shí)現(xiàn)船舶航行的自動化，提高了航行的平安性、經(jīng)濟(jì)性和有效性。2、

14、執(zhí)行過程：1Creator和Vega簡介Multigen Creator是一個(gè)高度專業(yè)化的工具。它具有：仿真的畫面是“實(shí)時(shí)生成；仿真具有高度的交互性優(yōu)勢；仿真的幀頻率一般是變化的優(yōu)勢；此外它還涉及OpenFliht模型數(shù)據(jù)庫LOD、DOF等關(guān)鍵技術(shù)等等。Vega是用于實(shí)時(shí)視覺模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的軟件。Vega面向非程序員的開發(fā)工具，一方面它通過建模軟件Muhigen Creator生成場景中各種實(shí)體(OpenFlight格式)，極大地減少建模的工作量，另一方面它通過圖形用戶界面Lnyx生成應(yīng)用定義文件(ADF)，通過C或者C+API函數(shù)來驅(qū)動場景中的物體，簡化了視景系統(tǒng)的開發(fā)過程，縮短了開發(fā)時(shí)

15、間，降低了對開發(fā)人員的要求。同時(shí)Vega還提供了一些模塊用于某些特定領(lǐng)域的仿真如海洋模塊、雷達(dá)模塊、特殊效果模塊等。2建模流程將AutoCAD所建好的模型經(jīng)過圖形格式的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)人Creator軟件平臺中，并在其上進(jìn)展船舶模型的再造，建立虛擬人的模型，將建立修改好的模型導(dǎo)人Vega的圖形式用戶界面Lynx，然后利用VC+并結(jié)合Vega程序設(shè)計(jì)，建立應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)視覺仿真。3、媒體及材料1媒體：經(jīng)過圖像處理生成真實(shí)的全景圖像，然后通過適宜的空間模型把多幅全景圖像組織為虛擬實(shí)景空間，用戶在這個(gè)空間中可以前進(jìn)、后退、環(huán)視、仰視、俯視、近看、遠(yuǎn)看等操作，從而實(shí)現(xiàn)全方位三維場景漫游的效果。2材料：a.器械

16、：投影儀；全景圖像生成器；空間編輯器；跟蹤器；數(shù)據(jù)手套；操縱桿；力反響設(shè)備；鍵盤鼠標(biāo)；品牌電腦；羅技桿以及立體聲音像設(shè)備等。b.軟件：Creator軟件； Vega軟件；四、設(shè)計(jì)草圖1、原理圖圖3總體投影示意圖 圖4 設(shè)計(jì)草圖五、方案實(shí)施1、參加人數(shù)：一個(gè)人也可以操作；多個(gè)人也可以操作2、參加方式：海事部門船員培訓(xùn)；大中院?；蛑械嚷殬I(yè)技術(shù)船舶學(xué)校針對學(xué)生的教育；喜歡娛樂游戲的人針對所有人；想學(xué)船舶駕駛技術(shù)的人六、關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案1、技術(shù)問題： 多年來，視覺仿真需要專用的圖形硬件和昂貴的開發(fā)軟件，軟件還需許多付費(fèi)的附加模塊和在每臺機(jī)器上的運(yùn)行版本費(fèi)用，這阻礙了視覺仿真的大面積推廣和復(fù)合大系

17、統(tǒng)的搭建。此虛擬環(huán)境的航船系統(tǒng)包括聲音效果、特殊效果、實(shí)時(shí)模型庫、高保真的地形數(shù)據(jù)庫，以及其它視覺仿真所需的附加工具。2、解決方案：多投影面環(huán)幕虛擬環(huán)境的船舶駕駛系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境：硬件環(huán)境：CCS2000程序仿真調(diào)試環(huán)境、C、windows 2000XP。軟件環(huán)境：0penGL圖形庫，Visual C+，vTree4O，Vega，Multigen creator運(yùn)行環(huán)境：Windows 2000xP。在良好的技術(shù)支持下，參與者便可以漫游在由計(jì)算機(jī)營造的虛擬環(huán)境中。逼真的三維圖象，較好的人機(jī)交互特性，使游戲者仿佛身臨其境。在單機(jī)上實(shí)現(xiàn)航船虛擬漫游的主要依托技術(shù)包括：三維實(shí)體、環(huán)境建模技術(shù)；計(jì)算機(jī)三維

18、圖象實(shí)時(shí)生成技術(shù)；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)；動感力感生成技術(shù)等；在環(huán)境建模方面，我們采用三維幾何建模技術(shù)，強(qiáng)調(diào)美工效果，天空、建筑物、街道甚至一些細(xì)小的人文景觀都力求逼真自然。在環(huán)境的實(shí)時(shí)渲染方面，重點(diǎn)突出環(huán)境自然屬性的渲染，主要包括：光照效果(如日光、陰影等)；場景聲音(背景音樂，自然聲響等)；時(shí)間屬性(白晝、黃昏、夜晚)；天氣情況(陰，多云、晴空)；自然現(xiàn)象(兩，雪，雷電等)；通過這些效果的綜合渲染，呈現(xiàn)給人們的是一幅逼真、自然的畫面。虛擬現(xiàn)實(shí)的呈現(xiàn)使觀看者親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力，融入其中的互動性，沉浸感，這與觀看者主動地去交互與被動的觀看，有質(zhì)的差異。此虛擬環(huán)境的船舶駕駛系統(tǒng)既滿足海事部門船員培訓(xùn)、實(shí)操考試、水工評估、海事分析研究等多項(xiàng)工作需求，又充分表達(dá)虛擬世界的魅力，具有很強(qiáng)的人機(jī)交互性。讓駕引人員在較短的培訓(xùn)或考試時(shí)間內(nèi)，遭遇各種不同的航行和操作情景，