三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)

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摘要:由于在利用原有系統(tǒng)進(jìn)行船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)，受場(chǎng)景搭建數(shù)據(jù)量過(guò)大的影響而無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)元素為20～40個(gè)的范圍內(nèi)存在室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題，因此提出一種基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件包括視覺模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，其中視覺模塊主要由多個(gè)立體視覺傳感器構(gòu)成；數(shù)據(jù)處理模塊由PC機(jī)和GPU構(gòu)成。系統(tǒng)軟件配置為室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)模塊，該模塊主要通過(guò)Direct3D軟件與OpenGL軟件進(jìn)行船舶室內(nèi)環(huán)境的設(shè)計(jì)。通過(guò)硬件與軟件的組合實(shí)現(xiàn)船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)的目的。為證明該系統(tǒng)的室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)較短，在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)元素為20～40個(gè)的范圍內(nèi)將其與原有系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)的室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)最短，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)性能的提升。

關(guān)鍵詞：三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；船舶；室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)；PC機(jī)

引言

船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?qū)Υ笆覂?nèi)環(huán)境進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)，使船舶室內(nèi)環(huán)境更加舒適、布局更加合理。隨著船舶其他性能的提升，人們對(duì)其居住性能也提出了越來(lái)越高的要求，愈發(fā)意識(shí)到船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)的重要性。而通過(guò)船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能夠獲得船舶室內(nèi)環(huán)境的智能設(shè)計(jì)方案，極大改善船舶的現(xiàn)有居住環(huán)境[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究各有其側(cè)重點(diǎn)，很多學(xué)者都提出了不同的系統(tǒng)方案。國(guó)外對(duì)于船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究主要集中在豪華郵輪、游艇等船舶的艙室布置和環(huán)境設(shè)計(jì)方面，有學(xué)者提出一種基于環(huán)境因子的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)，主要基于環(huán)境因子理論進(jìn)行船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)。而我國(guó)對(duì)于船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究則主要集中于客船、工作船、軍船等船舶的艙室布置和環(huán)境設(shè)計(jì)方面，有學(xué)者提出一種基于布局優(yōu)化的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)，主要基于布局優(yōu)化思想進(jìn)行船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)。由于在利用以上系統(tǒng)進(jìn)行船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)，受場(chǎng)景搭建數(shù)據(jù)量過(guò)大的影響而無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)元素為20～40個(gè)的范圍內(nèi)存在室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題，因此提出一種基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1設(shè)計(jì)基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1.1設(shè)計(jì)硬件

基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成為視覺模塊、數(shù)據(jù)處理模塊[2]。1.1.1設(shè)計(jì)視覺模塊基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的立體傳感器和顯示技術(shù)設(shè)計(jì)視覺模塊，該模塊主要由多個(gè)立體視覺傳感器構(gòu)成，主要通過(guò)立體視覺傳感器的布設(shè)對(duì)設(shè)計(jì)的船舶室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行三維成像顯示。其中立體視覺傳感器的具體型號(hào)為XtionASUS，其具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.1.2設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊由PC機(jī)和GPU構(gòu)成。其中PC機(jī)主要用于核心數(shù)據(jù)處理，其具體參數(shù)如表2所示。而GPU主要用于圖像數(shù)據(jù)處理，選用的型號(hào)為 QuadroNvidia3000MGPU，其具體參數(shù)如表3所示[3]。

1.2設(shè)計(jì)軟件

基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件配置為室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)模塊。室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)模塊主要通過(guò)Direct3D軟件與OpenGL軟件進(jìn)行船舶室內(nèi)環(huán)境的設(shè)計(jì)。其中OpenGL軟件主要作用是通過(guò)復(fù)雜曲面、曲線、簡(jiǎn)單圖形、點(diǎn)、線等展示函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)室內(nèi)環(huán)境。該軟件能夠適應(yīng)Win-dows7、Unix等多種操作平臺(tái)。通過(guò)OpenGL軟件，能夠?qū)Υ笆覂?nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)元素進(jìn)行繪制，并將繪制結(jié)果發(fā)給Direct3D軟件對(duì)其實(shí)施最終處理[4]。而Direct3D軟件的主要作用是對(duì)船舶室內(nèi)模型進(jìn)行構(gòu)建，并將構(gòu)建的船舶室內(nèi)模型以3ds格式保存。構(gòu)建的船舶室內(nèi)模型中包括編輯窗口與船舶室內(nèi)場(chǎng)景數(shù)據(jù)。OpenGL軟件的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)就需要以構(gòu)建的船舶室內(nèi)模型為依據(jù)來(lái)進(jìn)行。其繪制需要將構(gòu)建的船舶室內(nèi)模型作為基礎(chǔ)，在模型上添加設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境元素，對(duì)船舶室內(nèi)模型進(jìn)行環(huán)境充實(shí)，以及進(jìn)行布局操作，并以*.x格式將充實(shí)后的船舶室內(nèi)模型保存至Direct3D軟件中，通過(guò)Direct3D軟件的引擎渲染模塊對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行渲染處理、編輯與輸出。

2仿真實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

為證明基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中，選擇某船舶對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)船舶的室內(nèi)區(qū)域場(chǎng)景具體如圖1所示。利用基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)船舶進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)中，獲取室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)元素為20～40個(gè)范圍內(nèi)的室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了避免本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果過(guò)于單一而缺乏對(duì)比性，將原有的2種船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)中的對(duì)比系統(tǒng)，包括基于環(huán)境因子、基于布局優(yōu)化的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)。同樣利用這2種系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)船舶進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)，獲取室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)元素為20～40個(gè)范圍內(nèi)的室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)數(shù)據(jù)作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。比較幾種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2結(jié)果比較

在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)元素為20～30個(gè)的范圍內(nèi)，基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)與基于環(huán)境因子、基于布局優(yōu)化的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表4所示。可知，在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)元素為20～30個(gè)的范圍內(nèi)，基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)低于基于環(huán)境因子、基于布局優(yōu)化的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)。在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)元素為30～40個(gè)的范圍內(nèi)，基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)與基于環(huán)境因子、基于布局優(yōu)化的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表5所示?？芍?，在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)元素為30～40個(gè)的范圍內(nèi)，基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)低于基于環(huán)境因子、基于布局優(yōu)化的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)。

3結(jié)語(yǔ)

基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)場(chǎng)景模擬用時(shí)的降低，對(duì)于船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)效率的提升有一定意義。

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作者：陳楊飛 單位：重慶大學(xué)