专利名称：船舶驾驶与操作多通道多屏幕三维立体沉浸式仿真系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及船舶驾驶与舱室操作三维立体视景仿真模拟器系统装置，属于船舶与海洋工程领域。
背景技术：
目前，比较流行的船舶驾驶模拟器主要是利用商业化付费软件Vega、PHIGS、Crystal Space、Java3D、0GRE3D、Vega Prime等,所使用的物理平台要求高,费用大。本发明采用低端的PC设备架构立体显示系统和分布式图形处理与数学物理模型计算系统，利用移植性较强的OpenSceneGraph图形引擎克服了传统的OpenGL以及Direet3D开发周期长、难度大的缺点，解决了使用OpenGVS、Vega等商业引擎开发成本过高,须在高端的物理平台上运行，不利于产品推广的问题，具有更强的实用价值。三维开源引擎OpenSceneGraph (OSG)是一个基于工业标准OpenGL的跨平台的三维开源场景图形系统应用程序开发接口(API)，开源开发模型为3D程序开发者提供一个免费的开发库资源。本发明显示系统就是利用OSG渲染开发，并能在低端的PC架构分布式系统上运行，很大程度上降低了系统的开发成本。
发明内容
本发明装置在分布式数学物理平台模型和分布式船舶运行原理基础上包含(I)动力系统和船舶运动数学物理模型建模模块，(2)三维立体显示模块，(3)气候环境变化显示模块，(4)地理信息环境变化显示模块，(5)数字手套交互操作模块，(6)物理平台模拟操作模块等六个工作模块。本发明研究试验方法、技术路线以及工艺流程图如图I所示。本发明基于以上几个模块集成到一个物理平台发明，主要解决各个模块之间的集成问题。具体来说，要把三维立体显示、数据库交换技术、数字手套交互技术集成到一个软件下，利用物理操作代替键盘事件响应，达到驾驶船舶和在机舱操纵船舶的目的。本发明具有如下特点I、采用开源的高性能三维图像渲染工具包0SG，克服了传统的OpenGL以及 Direet3D开发周期长、难度大的缺点，解决了使用OpenGVS、Vega等商业引擎开发成本过高，不利于产品推广的问题，从实用的角度上更有意义。2、采用三维立体显示技术，利用利用四台投影仪分成左两组，投射到大屏幕上，利用偏光立体眼镜可以观察到立体效果，使较低端的显示设备产生了逼真的视觉效果。受训者观察到三维立体效果，产生强烈的沉浸感和逼真度。到目前为止，基于三维立体视景的船舶驾驶模拟器还没见应用报道，而与三维立体视觉仿真虚拟机舱操纵模拟器相结合仿真系统亦未见报道，本发明的特色就是利用双通道技术产生三维立体视景的船舶驾驶与机舱操纵模拟器，其最大优点是环境重现的真实性高，能够给操纵者一种身临其境的感觉，在这样的三维立体船舶驾驶与机舱操纵模拟器下，船员能够真切的感受到在真实船舶上所具有效果，在这种环境下能够有效的提高船员训练效果。
3、物基于组态软件、PLC控制器和分布式计算机网络构建了物理操作平台，利用车钟和舵柄，实现船舶驾驶，利用数据库桥将船舶运行的位置参数和数学物理模型仿真船舶动力系统运行的物理参数在物理平台的分布式计算机屏幕上显示出来，真实模拟海上航行场景和驾控平台场景，包括电子海图、雷达、罗经、动力系统运行物理参数监控界面以及海上场景、海上气候环境变化。4、通过开发操纵手柄和数字手套的驱动程序，将操纵手柄与数字手套的输入与通过OSG开发的三维立体漫游系统相融合，实现数字手柄对于三维立体数字船舶机舱场景的驱动漫游和数字手套与位置跟踪器通过数字手套的无线传感器的位置跟踪，对船舶机舱三维视景中不同类型的虚拟设备的操纵台进行操作、发出操作指令，该指令被系统传递给后台的数学运算仿真器进行仿真运算，其运算的结果传递到船舶驾驶模拟器的系统监控屏幕上的虚拟仪表，显示系统的运行状态。
图I研究试验方法、技术路线以及工艺流程图。
技术流程图说明I、导演控制平台；2、船型数据库和船型三维数字化模型数据库；3、船舶动力系统数学物理模型数据库仿真计算模型；4、电子海图航行区域坐标数据库；5、气候环境数据库；6、视景数据库；7、硬件显示模块；8、硬件显示模块；9、船舶动力系统数学物理模型仿真计算模型+船型运行物理参数存贮数据库；10、大屏幕投影显示；11、大屏幕投影显示；12、位置跟踪器与数字手套操作模块；13、物理平台操作模块(车钟)。各环节关系说明a、先利用流程图中1，对系统的运行进行导调，实现对2、3、7、10、12模块构成的“虚拟试验台”和4、5、6、8、11、13模块构成的“虚拟操纵台”的导调控制，系统存在在一个统一的分布式网络中；b、利用三维数据轻量化技术将用三维设计软件设计的实体船型进行轻量化处理，形成*. ive格式文件和利用数据库维护方法将对应的船舶基本船型及动力物理参数存入的数据库，形成模块2，供I调用；将各类船舶的动力系统，利用Matlab建立起对应船型的船舶动力系统数学物理仿真计算模型，并将模型文件的物理地址存入数据库，形成模块3，供I调用；利用地理信息系统GIS海图，针对所选目标船舶运行的海域，建立船舶运行航迹数据库，在目标船舶运行中，将模拟运行的航迹GIS信息存入航迹数据库，供硬件平台8上的海图和雷达显示本目标船和I调入系统运行的其它对象船只的GIS相对地理信息，形成模块4 ;利用OSG开发气候环境子程序，并利用可变参数在导演控制平台I上通过控制按钮，调节气候视景特征，该程序存入相应的文件夹，形成模块5 ;利用草图大师sketchup建立I所选目标对象船舶航行的视景模型，形成模块6 ；C、通过I导调调用2、3在7中通过视频矩阵模块显示在两个视觉融合的屏幕上，并通过四台投影仪，形成立体视觉投影在10上显示；d、I上接有通过MFC++开发的位置跟踪器驱动程序与数字手套驱动程序以及程序操纵杆，形成的模块12，利用程序操纵杆，可以实现观察者在沉浸式视景中的主动漫游，在系统运行时接受数字手套指关节上传感器发出的位置信号，并通过传感器与沉浸视景虚拟对象的干涉碰撞检测，通过数字手套的驱动程序，驱动虚拟对象，实现对虚拟对象的操纵，
通过c、d环节形成虚拟试验台立体成像沉浸式视景系统；e、通过I导调调用4、5、6在8中通过视频矩阵模块显示在两个视觉融合的屏幕上，并通过四台投影仪，形成立体视觉投影在11上显示；f、通过I导调调用，在13的分布式屏幕上，分别显示海图、雷达、罗经和主机动力系统运行过程中动态的位置与物理参数的变化；g、通过I导调调用形成的“虚拟试验台”和“虚拟操纵台”两个分布式视景系统，所调用的2、3模型和4、5、6模型分别由7和8生成对应的立体视景图像通过投影仪，在各自的显示大屏幕10和11上显示，I所调用的2、3、4、5、6的数学物理模型分布式运算的结果均存入9，外部输入设备12单向输入位置信息，通过系统内部的程序的干涉运算，由大屏幕输出虚拟对象位置变化的信息，13通过双向的输入与输出，分别在13的分布式屏幕上显示位置信息和物理参数，在12上显示位置信息和气候状态；h、3与9、4与9和13与9之间均有数据库之间的位置信息双向调用和物理参数信息的双向调用。
具体实施例方式本发明提供一种船舶驾驶与机舱操作三维立体视景仿真模拟器系统装置。它由船舶动力系统和船舶运动数学物理模型建模库、三维场景模型库、船型库、三维数字化船舶虚拟模型库、船舶航行区域电子海图库、船舶航行气候模型库、三维立体显示系统以及数字手套、位置跟踪系统、操作系统、物理操作平台等组成。本发明的技术方案为三维立体显示技术是利用多通道立体显示系统和OSG三维渲染技术组成；利用仿真车钟与舵轮以及各种开关按钮构成的物理操作平台输入对船舶的操纵信号，利用数据采集卡和PLC控制器采集这些信号，组态软件构成虚拟仪表，通过调用存贮在数据库中实时更新的某一车钟和舵轮状态下，船舶动力仿真和运动仿真计算输出的物理参数和位置参数，在物理平台分布式计算机屏幕上显示这些信息，组成船舶驾驶物理操纵平台，通过调用船舶动力系统数学物理仿真模型库、三维场景模型库、船型库、船舶航行区域电子海图库、船舶航行气候、海况模型库将物理平台对船舶操纵的船舶运行状态通过OSG三维渲染，在立体屏幕上动态地反映出来；船舶舱室沉浸式显示操纵技术是通过调用船舶动力系统数学物理仿真模型库、船型库、三维数字化船舶虚拟模型库，在三维立体屏幕上沉浸式显示船舶机舱的虚拟空间，利用位置跟踪器跟踪数字手套操作的位置，确定其在沉浸式虚拟机舱中对目标设备的操纵；受训船员在机舱及船舶上各个舱室的值班漫游利用手持式操纵器进行。数字手套、位置跟踪器，手持式操纵器通过相应的驱动程序与分布式计算机系统间进行操纵通讯。本发明一是将三维渲染和立体显示结合在一起，利用立体显示眼镜观看大屏幕，产生立体效果；二是将仿真的物理操纵平台通过数据采集与通讯的方式和系统相结合，对虚拟的视景进行操纵；三是将数字手套和感知数字手套操纵的位置跟踪器集成到场景交互操作系统中，使人和虚拟场景中的设备能感知式的交互操作，更加直观的仿真船舶机舱中的虚拟操纵过程；四是将以上各个模块集成到一个数学物理运算器仿真计算平台上，对交互数据进行处理，并将其结果反映到视景模型的动态显示中，使系统更加接近真实船舶驾驶。其工作原理在分布数学物理模型仿真计算平台和分布式船舶运行物理参数存储数据库框架下，主要完成以下三个方面的工作I、利用分布式立体显示原理和OSG三维渲染引擎实现场景的显示，两个独立的显示系统各自利用四台投影仪，两台PC电脑实现一套分布式立体显示，利用VC2005编程软件和OSG渲染引擎开发的系统分别在两个立体显示系统中显示港口、船舶和沉浸式虚拟机舱等仿真场景。进行被动立体显示。如系统逻辑图所示。2、物理操作平台主要利用船舶车钟和舵轮操作船舶运动，在运行前将三维视景参数调入系统中，并接收来自外部物理操纵平台的操纵参数，使视景运行，形成具有真实船舶驾驶的效果，同时还可以将接收到导演控制台设定的风、浪、潮等气候、海况参数，通过分布式船舶动力系统数学物理模型的仿真运算，实时地在显示系统中反映出船舶的横摇、加速等情况。动力系统操纵的异常数据的变化反映到监控计算机上，操作有问题时发出声光报
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m寸IR尼、o3、数据手套的主要功能是实现虚拟场景中对设备的阀、开关与按钮的操纵过程。数据手套的5个手指上具有5个弯曲传感器，可以根据不同手指关节的弯曲情况定义不同的动作，通过数据手套的不同的弯曲角度可以在虚拟场景中定义不同的阀门开度、开关的闭合、按钮的按下与弹起等动作。位置跟踪设备的主要功能是在系统中用于数据手套操纵的空间定位跟踪，用于识别数据手套在虚拟三维空间中的位移信息和运动跟踪捕捉，使参与者在空间上能够自由移动、旋转，不局限于固定的空间位置，操作更加灵活、自如、随意。本发明的图形处理部分采用开源的高性能三维图像渲染工具包0SG，完全由C++和OpenGL编写而成。由于其免费开放特征和版本信息不断丰富，系统的可移植性强的特点，因此，具有开发成本低、能不断获取业界最新开发方法和思想，使系统不断完善合理的特点。本发明采用立体显示技术，采用四台投影仪向屏幕投影的方式。平台可以分为两类三个模块，一类是左右眼模块，分别用两台计算机控制，另一类是后台控制模块，由一台服务器计算机控制。本发明把物理操纵平台、数字手套交互操作数据信息采集技术、分布式数学物理模型仿真运算技术、三维立体显示技术、分布式图形数据库控制技术等集成在一起，系统集成度提高，功能强大，只要建立相应领域模型，功能稍加修改完善，完全可应用于其他模拟器的开发操作，比如汽车驾驶、航天航空飞行、海上石油平台操纵、港口吊车操作等等。
权利要求
1.ー种采用多视屏技术，分别利用两个双通道立体屏幕模拟出船舶航行中周边的三维立体视景和船舶机舱虚拟沉浸式三维立体场景的系统，通过分布式的构架，将两个场景的仿真控制平台的运行仿真通过数学物理运算器集成在一起，当船舶驾驶模拟器平台发出操作指令时，系统也将指令发送到船舶机舱虚拟仿真平台，在虚拟机舱平台内的受训船员可以利用操纵杆控制视景形成船员在虚拟机舱巡回值班，并可以在行走的过程中用数据手套与位置跟踪器对视景中不同类型的虚拟设备操纵手柄、阀门、开关进行操作，向虚拟设备平台发出操作指令，该指令被系统传递给后台的数学物理运算器进行仿真运算，其运算的结果传递到船舶驾驶模拟器的系统监控的虚拟仪表屏幕上，显示系统的运行状态，对指令和操纵的出错发出声光报警，从而对虚拟船舶进行驾驶、操纵与控制，该系统具有良好的三维沉浸效果，而且还具有环境感知能力。
2.根据权利要求I所述的船舶驾驶与舱室操作三维立体视景仿真模拟器装置系统，其特征是利用被动立体显示技术，显示三维场景，借助偏振立体眼睛使之产生立体效果。
3.根据权利要求I所述的船舶驾驶与舱室操作三维立体视景仿真模拟器装置系统，其特征为(1)利用物理车钟平台，通过对车钟油门手柄的操作，实现船舶的推进和首侧推的推进操纵；利用舵轮的操作，实现对仿真船舶在视景内的转向控制。利用物理车钟平台上的开关按钮，实现对虚拟船舶驾驶航行灯的控制以及对主机和首侧推的操纵控制。利用物理车钟平台上的四块液晶屏幕，实现对船舶驾驶过程中的海图示、航海雷达、舵角指示显示和主机运行物理參数的监控显示；(2)利用操纵手柄，控制机舱三维立体仿真视景在屏幕中的运动轨迹，通过操纵手柄的上、下、左、右键的操纵，实现船员在操纵手柄的驱动下，在船舱的三维立体虚拟环境中值班行走，攀登扶梯等漫游功能；(3)利用位置跟踪器和数字手套，实现对船舶机舱三维立体场景中的虚拟设备的阀柄、开关、按钮的操作。
4.根据权利要求I所述的船舶驾驶与舱室操作三维立体视景仿真模拟器装置系统，其特征为利用多台计算机构成分布式计算机网络系统，分别管理驾驶模拟器运行的场景数据库、船型数据库、船型数字化虚拟模型数据库、船型动カ系统运行数学物理模型数据库以及船舶航行的海区电子海图数据库、气候及海况数据库，并利用分布式SQL数据库管理这些数据。
5.根据权利要求I所述的船舶驾驶与舱室操作三维立体视景仿真模拟器系统装置，其特征为系统具有导演控制台，可以根据训练的需要调用4所描述的各种数据库，进行不同船型、不同场景、不同气候及海况条件下的训练要求組合。
6.根据权利要求I所述的船舶驾驶与舱室操作三维立体视景仿真模拟器装置系统，其特征为利用数据采集卡将物理车钟平台对船舶驾驶的操纵数据进行采集，并传输到仿真船舶动カ系统运行的数学物理模型进行运算，计算出船舶的航行速度，舵轮的转角以及船舶与风浪、海况间的作用关系，并对船舶虚拟航行中周边的虚拟场景产生互动反应，从而达到操船训练的目的。
7.根据权利要求I所述的船舶驾驶与舱室操作三维立体视景仿真模拟器系统装置，其特征为数据采集卡采集的驾驶物理车钟平台上的车钟油门手柄操作信号、舵轮信号和主机等相关备车控制按钮信号、航行灯按钮信号等均传输到反映船舶动カ装置仿真运行的数学物理模型的输入数据端与机舱沉浸式仿真屏幕通过位置跟踪器与数据手套共同对机舱虚拟仿真物理设备上的阀门、按钮或开关进行操纵采集到的转角开度信号、按钮开关信号共同计算，并将计算的动カ设备运行的物理參数信号输出显示在船舶驾驶仿真物理操纵平台的动カ设备监控屏幕的虚拟仪表上。
8.根据权利要求I所述的船舶驾驶与舱室操作三维立体视景仿真模拟器系统装置，其特征为导演台可以指定船舶航行的区域，船舶在仿真航行时可以自动计算航速、航向等位置关系，并在电子海图、航海雷达屏幕上显示航迹位置，同时，导演台还可设置本船周边多艘虚拟船舶的航速、航向等信息，并自动计算这些虚拟船舶与本船之间的航迹关系，并对进入危险区域的船舶进行提示报警。
9.根据权利要求I所述的船舶驾驶与舱室操作三维立体视景仿真模拟器装置统系，其特征为是利用此套虚拟操作设备，可以更改显示模型和操作原理，从而达到模拟其它场景操作的目的，譬如在多个沉浸式屏幕下多艘船舶的全船对抗操纵训练、船舶火灾应急反应操作、钻井平台模拟器、特种汽车驾驶模拟器、特种工程机械操纵模拟器、航空航天模拟器等等，只要建立相应的模型并做出相应的逻辑运算就可以得到相应的模拟器操作平台。
全文摘要
本发明涉及船舶驾驶与舱室操作三维立体视景仿真模拟器系统装置，属于船舶与海洋工程领域。本发明装置在分布式数学物理平台模型和分布式船舶运行原理基础上包含(1)动力系统数学物理方程建模模块，(2)三维立体显示模块，(3)气候环境变化显示模块，(4)地理信息环境变化显示模块，(5)数字手套交互操作模块，(6)物理平台模拟操作模块等六个工作模块。将以上模块集成到一个物理平台，主要解决各模块之间的集成问题。具体来说，要把三维立体显示、数据库交换技术、数字手套交互技术集成到一个平台中，利用物理操作代替键盘事件响应，利用场景变化代替船舶航行和机舱操纵，达到模拟驾驶船舶和在机舱操纵船舶的目的。
文档编号G09B9/06GK102663921SQ20121007377
公开日2012年9月12日 申请日期2012年3月20日 优先权日2012年3月20日
发明者薛峰, 陈宁 申请人:镇江科大船苑计算机网络工程有限公司