基于立体全景的虚拟船舶驾驶系统的制作方法

专利名称：基于立体全景的虚拟船舶驾驶系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种虚拟船舶驾驶系统，特别涉及一种基于立体全景的虚 拟船舶驾驶系统。
技术背景
虚拟船舶驾驶系统经过十几年的发展，在国内外各航海院校己经基本得到
普及，为广大船员提供了一个良好的训练环境，并且为港口航道安全论证提供
了一个初步模拟试验平台。目前的虚拟船舶驾驶系统通常以简单的驾驶设备
(包括车钟、舵机、罗经、锚缆操作等)作为驾驶操纵平台，以图形工作站作
为图像信号产生器，输出图像到多台投影仪，并投射在水平视角为40度到270
度范围的平板或弧形屏幕上，通过拼接形成视景系统，共同组成一个模拟器系
统。这类系统普遍存在的问题是驾驶台设备仿真度不高、视景视角范围太小、
虚拟场景不真实、空间距离感不强等，船员普遍反应与现实差距太远，特别是
针对一些专项训练与决策，如船舶靠离泊、海上搜救、船舶避碰、船员心理特
征研究等，目前的虚拟船舶驾驶系统很难信任。
要满足以上需求，首先必须建立一个真实的驾驶平台，让船员有身临其境
的感觉，其次建设大视角(360度)全景虚拟环境可以解决视角范围太小的问题，
最后利用立体影像技术建立虚拟现实中心(Virtual Reality Center)可以解决空
间距离感，沉浸感问题，消除想像空间与现实空间的距离，因此，在虚拟船舶
驾驶系统的研制与开发中，核心技术是驾驶台设备的仿真、虚拟现实中心的开
发。但是由于船舶驾驶台设备功能复杂、专业性强等特点，并且一般为国外进
口设备，不易模拟，导致虚拟船舶驾驶系统的驾驶台设备仿真度不高；另外对
于超过180度水平视角的弧形屏幕投影系统，由于光线的反射与散射的干绕，
很难建立基于立体影像技术的虚拟现实中心，也就是一直以来没有立体全景的
虚拟船舶驾驶系统的根本原因
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有系统的不足，而提供一种基于新型仿真驾驶 台和立体全景虚拟现实中心的虚拟船舶驾驶系统。
为了达到上述目的，本实用新型所涉及的基于立体全景的虚拟船舶驾驶系
统，该系统主要由综合船桥系统、视景可视化系统以及立体投影系统组成；所 述视景可视化系统通过网络接收综合船桥系统中的各种船舶运动参数值进行 处理，模拟船舶在虚拟场景中的驾驶状况，产生立体全景图像并传输到立体投 影系统。
所述视景可视化系统中复数个图形工作站通过串行网络实现连接，同时还 连接综合船桥系统和立体投影系统。
所述图形工作站中设有通过3D实景建模软件工具产生场景模型，以3D引 擎为渲染工具实时渲染图像，对渲染的图像利用视差轴非对称透视投影模块产 生立体图像对，并分别输出到立体投影系统的立体全景图像产生程序模块。
所述的视差轴非对称透视投影模块为利用非对称透视投影方法分别以左 右眼为轴线产生立体图像对，使得左右眼的视场矢量保持平行，而且左右眼的 视锥体的投影平面重叠，避免垂直方向上视差的功能模块。
所述的串行网络为单向传送的传输率达到2.5GB/s的InfiniBand网络。
所述的立体投影系统由与图形工作站系统连接的复数个投影仪和360°的 弧形投影幕组成，所述投影仪安装在综合船桥系统上方，与弧形投影幕在一同 心圆上，并往斜下方投射。
所述投影仪中嵌入有利用经纬仪对屏幕空间位置进行定位，并用激光束或 标志物对位置进行标定，在屏幕上形成位置点阵，将投影仪投射的畸形图像与 位置点阵进行匹配，达到图像的几何校正，同时利用融合算法对投影仪重叠区 的图像进行亮度与颜色调整，使得颜色均衡，实现无缝拼接的图象几何校正与 融合模块。
所述投影仪上安装有使得投影仪产生立体影像的光谱分离芯片。 所述360。的弧形投影幕的屏幕增益为1.0。
本实用新型的方法简单、灵活、容易实现，本实用新型首次利用综合船桥 系统为驾驶台仿真平台，提高了船舶操纵的仿真度，本实用新型提出的360度
立体全景虚拟现实系统方案中，利用光谱分离技术与控制投影幕增益值来实现 立体影像投影，有效解决了立体投影光线相互干扰问题，通过立体影像技术效 解决了虚拟场景空间距离感、沉浸感问题，本实用新型采用的基于PC集群的 分布式仿真中，解决了超大型虚拟现实系统中存在的程序统一、数据统一、时 序同步问题。


以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本实用新型。 图1为本实用新型的系统结构示意图。 图2为本实用新型的立体图像成像原理图。 图3为本实用新型的综合船桥系统仿真驾驶台示意图。 图4为本实用新型的投影屏幕与投影仪安装位置示意图。 图5为本实用新型安装时屏幕空间定位的点阵图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白
了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。
图l为本实用新型的系统结构示意图，根据图上可知，本实用新型主要为实
时分布式系统，采用基于PC集群结构，主要由综合船桥系统、视景可视化系统 以及立体投影系统组成；所述视景可视化系统将从综合船桥系统中接收到的各 种船舶运动参数值进行处理，产生立体全景图像并传输到立体投影系统上。该 系统中的视景可视化系统由12台高性能图形工作站1组成，每一个图形工作站 1分别有一控制台控制3，并对应一台投影仪4; 12台高性能图形工作站1通过 串行网络技术(InfiniBand) 2实现网络互联，同时接收来自综合船桥系统中的 各种船舶航行的模拟数据。InfiniBand网络能够保证了 12通道分布式系统的微 秒级同步，并且满足了大数据量的传输，确保数据与图像在逻辑上的统一性； 这里使用的串行网络技术是指比传统的以太网具有更快的网络连接技术，单向 传送的传输率达到2.5GB/s。
图2是本实用新型的立体图像成像原理，高性能图形工作站通过3D实景建 模软件工具产生场景模型，以3D引擎为渲染工具实时渲染图像，对渲染的图像 利用视差轴非对称透视投影方法产生更加舒适的立体图像对，并分别输出到投 影仪。所述的视差轴非对称透视投影方法，利用非对称透视投影方法分别以左 右眼为轴线产生立体图像对，使得左右眼的视场矢量保持平行，而且左右眼的 视锥体的投影平面重叠，避免垂直方向上的视差。
图3是本实用新型中的综合船桥系统，其为一综合船桥系统仿真驾驶台， Ml面板包含罗经复视器、随动操舵手轮、舵角放大器、操舵模式选择开关、 双模应急舵柄、操舵装置控制面板、双车车钟、艏侧推器控制面板、尾侧推器 控制面板、机舱操作系统、操控信号单元、操控控制杆、紧急停车按钮、安保 系统内部连接单元、广播主控台、呼叫主控台、自动电话、气笛信号控制器、 报警蜂鸣器、舷窗擦拭器控制面板、轨迹球、气笛按钮、气笛关闭按钮、气笛 莫尔斯信号键。M2面板包含综合报警面板、CONNING显示器、 TRACKPILOT/CONNING计算机、舵角表、主机启动空气压力表、主机转速 表、值班报警面板、罗经数字复视器亮度调节、驾驶台上RAI亮度调节、磁罗 经24V电源亮度、磁罗经220V电源亮度以及转速和启动空气压力灯亮度调节。 Pl面板X波段ARPA雷达。采用进口的真实船用ARPA雷达显示器，自制 雷达信号发生器产生模拟信号。包含X波段雷达23"TFT显示器、X波段雷达 电子单元、X波段雷达内部连接盒、雷达和TRACKPILOT控制面板与自制模 拟雷达信号发生器。Sl面板自制模拟S波段ARPA雷达。包含三波段雷达 21"TFT显示器、S波段模拟雷达电子单元、S波段雷达内部连接盒、与自制模 拟雷达键盘和TRACKPILOT控制面板。CP1左转角面板包含DGPS显示单 元、数字选择开关、VHF收发信机、报警复位按钮。CS1右转角面板包含 驾驶台报警面板、驾驶台扩展报警面板、值班报警面板、报警复位键。S2面 板包含模拟21"TFT电子海图显示器、电子海图电子单元、ASCII键盘、PS/2 轨迹球。S3面板包含OWS 21" TFT显示器(机舱自动监控系统)、OWS键盘、 OWS轨迹球、机舱自动监控系统工作站单元。P3面板锚、缆绳操作台。P2 面板包含、罗经操作单元、GMDSS报警单元、AIS显示单元、面板按钮、
航行灯控制面板、信号灯控制面板、声力电话、二氧化碳烟雾探测复视器面板、
操舵装置报警面板、舷窗擦拭器控制面板、火警控制/复视器面板、安保系统
测试按钮、安保系统开关、货舱灯控制面板、舷灯控制面板。该驾驶台中的各
个单元利用串口分别采集其信号传输到船舶运动模型控制计算机中，该计算机
并数据传输到与其连接的视景可视化系统中进行处理。
图4是本实用新型的立体投影系统中的投影屏幕与投影仪安装位置示意图，
柱形结构为投影屏幕5，屏幕表面通过涂料层来控制光学增益，保持在1.0左右， 由于柱形结构的中央为船舶仿真驾驶室6，因此投影仪8只能安装在柱形结构的 顶部与柱形体同心的圆上，投影仪保持往斜下方投影7在屏幕5上。光谱分离 技术对投影仪投射的立体图像对分离，在投影仪里或外安装具有光谱分离技术 的芯片，使得投影仪产生立体影像。
图5是本实用新型安装时屏幕空间定位的点阵图，由于投影仪是往斜下方 投影，并且屏幕是弧形，因此图像会发生畸变，需要几何校正，本系统首先利 用经纬仪对屏幕空间进行定位，并用激光点对位置进行标记，形成图5上的点 阵图，然后投影仪输出图像，利用非线性几何变形方法将输出的图像与点阵图 进行匹配，得到正常视景图像，几何校正后的图像在投影仪之间存在重叠区， 利用图像融合方法对重叠区的图像融合，得到颜色上统一的图像。
根据上述技术方案得到的本实用新型在运行时，综合船桥系统仿真驾驶台 上的硬件模块用于模拟船上各种传感器，通过船舶运动模型控制计算机采集到 各种模拟传感器信号，结合运行在计算机上的船舶运动数学模型实时计算得到 各种船舶运动参数值，包括船位、航向、航速、六自由度值等。同时视景可视 化系统中采用实时分布式系统硬件模块构成虚拟现实系统平台，将仿真驾驶台 硬件模块产生的船舶运动数据利用计算机网络传输到由此构成的虚拟现实系 统中，用于控制虚拟现实系统中船舶运动状态；并且在虚拟现实系统中嵌入立 体全景图像产生程序模块，以便产生立体全景；然后将产生的立体全景图像通 过视频电缆输送到立体投影装置模块，通过嵌入在立体投影装置中的几何校正 与融合模块对投影中的图像进行变换，最后投射在环形屏幕上。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优
点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实 施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神 和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入 要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书 及其等效物界定。
权利要求1、基于立体全景的虚拟船舶驾驶系统，该系统主要由综合船桥系统、视景可视化系统以及立体投影系统组成；其特征在于，所述视景可视化系统通过网络接收综合船桥系统中的各种船舶运动参数值进行处理，模拟船舶在虚拟场景中的驾驶状况，产生立体全景图像并传输到立体投影系统。
2、 根据权利要求1所述的基于立体全景的虚拟船舶驾驶系统，其特征在 于，所述视景可视化系统中复数个图形工作站通过串行网络实现连接，同时还 连接综合船桥系统和立体投影系统。
3、 根据权利要求2所述的基于立体全景的虚拟船舶驾驶系统，其特征在 于，所述图形工作站中设有通过3D实景建模软件工具产生场景模型，以3D引 擎为渲染工具实时渲染图像，对渲染的图像利用视差轴非对称透视投影模块产 生立体图像对，并分别输出到立体投影系统的立体全景图像产生程序模块。
4、 根据权利要求3所述的基于立体全景的虚拟船舶驾驶系统，其特征在 于，所述的视差轴非对称透视投影模块为利用非对称透视投影方法分别以左右 眼为轴线产生立体图像对，使得左右眼的视场矢量保持平行，而且左右眼的视 锥体的投影平面重叠，避免垂直方向上视差的功能模块。
5、 根据权利要求2所述的基于立体全景的虚拟船舶驾驶系统，其特征在 于，所述的串行网络为单向传送的传输率达到2.5GB/s的InfiniBand网络。
6、 根据权利要求1所述的基于立体全景的虚拟船舶驾驶系统，其特征在 于，所述的立体投影系统由与图形工作站系统连接的复数个投影仪和360°的弧 形投影幕组成，所述投影仪安装在综合船桥系统上方，与弧形投影幕在一同心 圆上，并往斜下方投射。
7、 根据权利要求6所述的基于立体全景的虚拟船舶驾驶系统，其特征在 于，所述投影仪中嵌入有利用经纬仪对屏幕空间位置进行定位，并用激光束或 标志物对位置进行标定，在屏幕上形成位置点阵，将投影仪投射的畸形图像与 位置点阵进行匹配，达到图像的几何校正，同时利用融合算法对投影仪重叠区 的图像进行亮度与颜色调整，使得颜色均衡，实现无缝拼接的图象几何校正与 融合模块。
8、 根据权利要求6所述的基于立体全景的虚拟船舶驾驶系统，其特征在于，所述投影仪上安装有使得投影仪产生立体影像的光谱分离芯片。
9、根据权利要求6所述的基于立体全景的虚拟船舶驾驶系统，其特征在于，所述360。的弧形投影幕的屏幕增益为1.0。
专利摘要本实用新型公开了基于立体全景的虚拟船舶驾驶系统，该系统主要由综合船桥系统、视景可视化系统以及立体投影系统组成；所述视景可视化系统通过网络接收综合船桥系统中的各种船舶运动参数值进行处理，模拟船舶在虚拟场景中的驾驶状况，产生立体全景图像并传输到立体投影系统。本实用新型的方法简单、灵活、容易实现，首次利用综合船桥系统为驾驶台仿真平台，提高了船舶操纵的仿真度。
文档编号G09B9/06GK201210356SQ20082006054
公开日2009年3月18日 申请日期2008年5月7日 优先权日2008年5月7日
发明者施朝健, 王胜正, 石永辉 申请人:上海海事大学