- 相關(guān)推薦
基于 CATIA和 VIRTOOLS技術(shù)的虛擬機(jī)艙漫游研究
論文關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 船舶機(jī)艙 虛擬角色 CATIA VIRTOOLS
論文摘要：針對(duì)虛擬機(jī)艙漫游的現(xiàn)狀，充分利用CAD技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提出了一種新方法，構(gòu)建漫游框架，研究實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)利用該方法開(kāi)發(fā)某艇機(jī)艙的虛擬漫游。設(shè)計(jì)部門(mén)可以采納客戶的反饋意見(jiàn)，修改設(shè)計(jì)，縮短開(kāi)發(fā)周期。艇員可以了解機(jī)艙布置，提高訓(xùn)練的實(shí)效性和性。
1 引 言
虛擬現(xiàn)實(shí)是由等專(zhuān)用設(shè)備構(gòu)成虛擬，利用設(shè)備與環(huán)境交互 ，具有交互性和沉浸感使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)并從虛擬環(huán)境 中得到反饋。復(fù)雜場(chǎng)景的虛擬漫游是虛擬現(xiàn)實(shí) 的重要應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)艙的規(guī)劃和布置需要遵循很多原則，如滿足生命力的要求、有利于人員站 位和撤離、滿足維修空間和通道寬度的要求等，同時(shí)又要滿足“人性設(shè)計(jì)”這一發(fā)展趨勢(shì)。因此在機(jī)艙初步設(shè)計(jì)完成后，實(shí)物制造之前很有必要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)機(jī)艙的三維模型進(jìn)行虛擬漫游，各方面的專(zhuān)家通過(guò)身臨其境 的感覺(jué)可 以提供反饋意見(jiàn)從而對(duì)機(jī)艙設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。并且可以為使用人員的訓(xùn)練提供幫助，節(jié)約經(jīng)費(fèi)，提高訓(xùn)練 的實(shí)效性 。
2 方法的提出
英國(guó)船商公司推 出的最新 輪機(jī)模擬器 ER4000將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入輪機(jī)模擬器 ，實(shí)現(xiàn) 了機(jī)艙的虛擬漫游。大連海事大學(xué)研制的 DMS一200型輪機(jī)仿真器運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)三維建模雙 目視差分時(shí)式立體視覺(jué)顯示和視覺(jué)現(xiàn)場(chǎng)感產(chǎn)生等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)機(jī)艙虛擬漫游的實(shí)現(xiàn)大都利用三維建模軟件 Muhigen、3Dma等建立機(jī)艙視景數(shù)據(jù)庫(kù)，利用實(shí)時(shí)仿真軟件 Veg等實(shí)現(xiàn)交互操作 。機(jī)艙環(huán)境復(fù)雜 ，建立準(zhǔn)確 的三維機(jī)艙空間難度較大。
隨著 CAD技術(shù)的發(fā)展 ，設(shè)計(jì)領(lǐng)域逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì) ，波音 777即是利用 CATIA進(jìn)行全數(shù)字化設(shè)計(jì) 的典型產(chǎn) 品。CATIA是 IBM 公司和Dassauh公司合作 后推 出的三維 cAD／cAE／cAM設(shè)計(jì)軟件。CATIA為造船提供 了優(yōu)秀的解決方案 ，包括專(zhuān) 門(mén)的船體產(chǎn)品和船用設(shè)備、機(jī)械解決方案。船體設(shè)計(jì)解決方案己被應(yīng)用于眾多船舶制造企業(yè)，涉及所有類(lèi)型船舶的零件設(shè)計(jì) 、制造和裝配。設(shè)計(jì)部門(mén)可 以提供機(jī)艙 的三維模型 ，這就為虛擬漫游所需要的視景數(shù)據(jù)庫(kù)提供了素材。并且CATIA軟件和 VIRTOOLS同屬達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的兩者之間存在公用 的數(shù)據(jù)使用格式，因此 為文件的傳遞創(chuàng)造了條件 。CATIA軟件本身帶有虛擬漫游的功能，缺點(diǎn)是其虛擬漫游不能脫離軟件 的使用環(huán)境并且加入特定的虛擬人物后人機(jī)交互的開(kāi)發(fā)難度較大。
本文提出利用 VIRTOOLS軟件開(kāi)發(fā)虛擬機(jī)艙漫游 ，在 VIRTOOLS中對(duì)虛擬人物交互控制較為簡(jiǎn)單，而且開(kāi)發(fā)的虛擬機(jī)艙漫游具備了良好 的沉浸感和空間意識(shí) 。并且導(dǎo)出的文件較小 ，便于 網(wǎng)絡(luò)傳輸，方便客戶使用。
3 開(kāi)發(fā)流程
虛擬漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括視景數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和漫游平臺(tái)的設(shè)計(jì)。本文利用 CATIA提供 的3D XML輸出接口，三維模型經(jīng)過(guò)處理可直接轉(zhuǎn)為 3D XML格式，并將模型文件導(dǎo)入到 VIRTOOI S中。在 VIRTOOLS中建立攝 像機(jī) 和燈光對(duì)環(huán)境進(jìn)行渲染 ，充分營(yíng)造真實(shí)機(jī)艙的氛圍，添加虛擬人物 ，并對(duì)虛擬人物交互控制。虛擬漫游的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)后 ，就可以從 VIRTOOLS中導(dǎo)出 ，從而脫離軟件環(huán)境使 用。虛 擬漫 游開(kāi)發(fā)框 架 圖如 圖 1所示
4 關(guān)鍵技術(shù)
4．1 三維模型導(dǎo)人 VIRTOOLS
模型的建立是由具備強(qiáng)大建模能力的 CATIA軟件實(shí)現(xiàn)的，而 CATIA軟件建立的三維模型需要轉(zhuǎn)化為被 VIRTOOLS軟件所支持 的文件格式 ，如WRL、3D XML等 ，才能成功地 以場(chǎng)景模式導(dǎo)入到VIRTOOLS中。機(jī)艙 的樣機(jī)模型需要進(jìn)行一定的處理，因?yàn)樘摂M漫游 的場(chǎng)景不需要 機(jī)器設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ，因此要將 內(nèi)部部件刪除 ，否則在文件格式轉(zhuǎn)換時(shí)所需的時(shí)間較長(zhǎng) ，而且最后導(dǎo)出的文件較大 。部件的刪除可以在 CATIA中完成 ，也可以在 VIRTOOLS中完成。本 文是在 CATIA 中完成的，CATIA下 的三維模型層次結(jié)構(gòu)清晰，便于編輯 ，而且減少了軟件之間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換所需要 的時(shí)間。文件導(dǎo)入 VIRTOOLS后數(shù)據(jù)會(huì)存在丟失的現(xiàn)象 ，需要在 VIRTOOLS中進(jìn)行 材質(zhì)處理 、貼 圖等，這樣就建立了視景數(shù)據(jù)庫(kù)。
4．2 在 VIRTOOLS中添加虛擬人物
虛擬人物具備一定的身體特征如身高、體重 、胖瘦等 。虛擬人物 (角色 )是 虛擬漫游的重要組成部分 ，對(duì)于增強(qiáng)場(chǎng)景 的真實(shí)感 、沉浸感具有非常重要的作用 。
4．3 在 VITOOLS中虛擬漫游的實(shí)現(xiàn)
VIRTOOLS能夠?qū)ΧS或三維模型實(shí)現(xiàn)各種操作，如大小變化 、平移、旋轉(zhuǎn) 、縮放 、顏色變化 、光線變化 、二維貼圖等。復(fù)雜操作 ，如投影 、行走 、奔跑 、后退等。各種控制操作充分利用了 VIRTOOLS提供的強(qiáng)大交互功能 ，是通過(guò)直接調(diào)用行為模塊庫(kù) 中的內(nèi)置 BB(Behavior Block)實(shí)現(xiàn) 的。VIRTOOLS本身提供了 500多個(gè) BB供調(diào)用 ，每個(gè)BB都是封裝了的行為控制函數(shù) ，并提供了行為輸入、行為輸出 、參數(shù)輸入 、參數(shù)輸 出4個(gè)接 口，因此可以在 BBs資源庫(kù)方便地調(diào)用 BB，并利用 BB對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的控制。
1)虛擬人物在虛擬環(huán)境中行走的實(shí)現(xiàn)
設(shè)置多個(gè)固定路徑，人物在不同的固定路徑上行走。在機(jī)艙地板上繪 制幾條不 同的閉合 曲線 ，通過(guò) character curve follow的漫游方法，虛擬人物就 可 以在 曲線 上行 走 ，用 戶 只要 通過(guò) 簡(jiǎn)單shift鍵切換，人物就可以在不同路徑上跑動(dòng)。設(shè)置鍵盤(pán)控制，操縱虛擬人物實(shí)施自由漫游。在人物的animation中加人 walk、run、walk back等基本動(dòng)作 ，用相應(yīng)的鍵盤(pán)方 向鍵進(jìn)行控制。在鍵盤(pán)的控制下人物就可以在機(jī)艙中行走。通過(guò) timesetting的腳本文件來(lái)控制跑步的步幅、步頻等。
2)攝像機(jī)的控制
攝像機(jī)是三維視角點(diǎn)，對(duì)攝像機(jī) 的控制很必要 ，最基本的攝像 機(jī)追蹤方式是和人物保持一定距離 ，將攝像機(jī)的 目標(biāo)鎖定在虛擬人物 person身上。另外，還運(yùn)用了兩種察看虛擬場(chǎng)景的方式 ，一是切換攝像頭 ，在虛擬機(jī)艙中的左右兩側(cè)和上方各設(shè)置一個(gè)攝像頭在漫游的過(guò)程中通過(guò) space鍵進(jìn)行攝像頭的切換 ，用戶可以看 到不 同視角的虛擬機(jī)艙。還可以用 鼠標(biāo)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn) ，從而觀察周?chē)h(huán)境。圖 2是使用鍵盤(pán)切換攝像機(jī)和鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)的腳本 。
3)碰撞檢測(cè)
現(xiàn)實(shí)中的人物是不能穿越墻壁等固定物體的。如果不加上碰撞檢測(cè)功能，虛擬人物的身體就會(huì)穿越柴油機(jī)、齒輪箱等機(jī)艙設(shè)備，這是與現(xiàn)實(shí)相悖的，從而帶來(lái)不真實(shí)的感覺(jué)。本例在 level下將機(jī)艙中一切固定設(shè)備都設(shè)定了固定物體的屬性，通過(guò)在虛擬人物的腳本中加入 prevent eollision，實(shí)現(xiàn)了碰撞檢測(cè)的功能，從而人物就不可以再穿過(guò)設(shè)備等障礙物。
4)漫游渲染
現(xiàn)實(shí)中的人在機(jī)艙行走時(shí)，腳和地板的碰撞會(huì)產(chǎn)生聲音，而且地板和機(jī)艙壁等物體上會(huì)折射出人物的陰影。因此為了讓虛擬漫游更加逼真，虛擬人物在機(jī)艙中行走時(shí)添加2種不同的渲染包括聲音渲染和陰影渲染。
本文實(shí)現(xiàn)了兩種聲音的渲染：虛擬人物在行走時(shí)腳步摩擦地板的聲音；碰撞物體時(shí)產(chǎn)生的聲音。
在機(jī)艙的上方添加 2個(gè)燈光 ，這樣虛擬人物在行走時(shí)機(jī)艙壁、地板 、柴油機(jī)等物體上就會(huì)折射出虛擬人物的陰影，這樣就實(shí)現(xiàn)了陰影的渲染 ，從而使虛擬場(chǎng)景更加逼真。圖3是漫游渲染的腳本 。
4．4 虛擬漫游的發(fā)布
虛擬漫游完成后，有 2種方法可以保存 ：一種是直接將整個(gè)虛擬漫游 以 CMO文件格式保存，這種情況保存的文件只有載入 VIRTOOLS中才可以進(jìn)行單機(jī)的虛擬漫游；一種是將整個(gè)虛擬漫游 以VMO文件格式保存，同時(shí)也可以 HTML文件格式保存，這種情況下用戶只需要安裝播放插件 VIRTOOLS Web player，就可以進(jìn)行單機(jī) 的虛擬漫游同時(shí)可以發(fā)布到網(wǎng)上，方便各客戶端使用 。
5 應(yīng)用實(shí)例
本文構(gòu)建了虛擬機(jī)艙，并在漫游框架平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)艙漫游。將 CATIA軟件建構(gòu)的機(jī)艙三維模型經(jīng)過(guò)處理后轉(zhuǎn)化為 3D XML格式的文件 ，然后導(dǎo)入到 VIRTOOLS中，添加燈光等進(jìn)行渲染。在VIRTOOLS中實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬人物的交互操縱 ，開(kāi)發(fā)了虛擬機(jī)艙的漫游(圖 4)。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文針x1f機(jī)艙漫游技術(shù) 的發(fā)展現(xiàn)狀，充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提出了一種新 的方法 ，在利用CATIA軟件建構(gòu)虛擬 機(jī)艙 漫游場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，脫離 CATIA軟件 的使川 平 臺(tái)，在 VIRTOOLS中對(duì)虛擬人物的操縱實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)艙 三維模型 的虛擬漫游。用 戶可 以根 據(jù) 自己 的要 求 、 觀 等因素提 出修改意見(jiàn) 。對(duì)機(jī)艙設(shè)計(jì)部 門(mén)而言可 以廣泛采納莢學(xué)家 、人機(jī) 學(xué)家 、普通船員等 非專(zhuān)業(yè)人 士的意 見(jiàn)從 而對(duì) 機(jī)艙 的設(shè)計(jì) 進(jìn)行修 改 ，充分適應(yīng)“人性設(shè)計(jì)”這一發(fā)展趨勢(shì)，有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
參考文獻(xiàn)：
[1] 雷良育．基于虛擬現(xiàn)實(shí)的汽車(chē)平順性仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．皖州．浙江大學(xué)，2005
[2] 劉金林．虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)住艦船動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D]．武漢．海軍工程大學(xué)，2005
[3] 陳國(guó)鈞，曾兒明現(xiàn)代艦船輪機(jī)工程 [M]．長(zhǎng)沙 ：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2001．
[4] 周俊峰，�？迹皺C(jī)艙虛擬中的虛擬人十勾建 [J]．上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(4)：42
[5] 李昌圍，朱福全，譚良等．基丁 3D和 Virtools技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn) 開(kāi)發(fā)方 法研 究[J]．程與應(yīng)用，2006，42(31)：84—86，96．
[6] 葉綠．虛擬環(huán)境中虛擬人 (角色)技術(shù)的研究與用 [D]．杭州 ：浙汀大學(xué) ，2005．
【基于 CATIA和 VIRTOOLS技術(shù)的虛擬機(jī)艙漫游研究】相關(guān)文章：
基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的自行車(chē)漫游系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)03-18
基于MultiGen Creator和Vega的虛擬訓(xùn)練場(chǎng)設(shè)計(jì)研究03-18
基于虛擬經(jīng)營(yíng)的知識(shí)共享行為研究03-21
基于虛擬扇區(qū)的Flash存儲(chǔ)管理技術(shù)03-18
基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的景物仿真03-08
基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)研究03-02
基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M03-07