三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)

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摘要:由于在利用原有系統(tǒng)進行船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計時，受場景搭建數(shù)據(jù)量過大的影響而無法進行數(shù)據(jù)處理，在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計元素為20～40個的范圍內(nèi)存在室內(nèi)場景模擬用時較長的問題，因此提出一種基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(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立體視覺傳感器構(gòu)成；數(shù)據(jù)處理模塊由PC機和GPU構(gòu)成。系統(tǒng)軟件配置為室內(nèi)環(huán)境設(shè)計模塊，該模塊主要通過Direct3D軟件與OpenGL軟件進行船舶室內(nèi)環(huán)境的設(shè)計。通過硬件與軟件的組合實現(xiàn)船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計的目的。為證明該系統(tǒng)的室內(nèi)場景模擬用時較短，在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計元素為20～40個的范圍內(nèi)將其與原有系統(tǒng)進行對比實驗，實驗結(jié)果證明該系統(tǒng)的室內(nèi)場景模擬用時最短，實現(xiàn)了設(shè)計性能的提升。

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

引言

船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)Υ笆覂?nèi)環(huán)境進行科學規(guī)劃設(shè)計，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，人們對其居住性能也提出了越來越高的要求，愈發(fā)意識到船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計的重要性。而通過船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)，能夠獲得船舶室內(nèi)環(huán)境的智能設(shè)計方案，極大改善船舶的現(xiàn)有居住環(huán)境[1]。國內(nèi)外對于船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)的研究各有其側(cè)重點，很多學者都提出了不同的系統(tǒng)方案。國外對于船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(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)計方面，有學者提出一種基于環(huán)境因子的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)，主要基于環(huán)境因子理論進行船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計。而我國對于船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(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)計方面，有學者提出一種基于布局優(yōu)化的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)，主要基于布局優(yōu)化思想進行船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計。由于在利用以上系統(tǒng)進行船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計時，受場景搭建數(shù)據(jù)量過大的影響而無法進行數(shù)據(jù)處理，在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計元素為20～40個的范圍內(nèi)存在室內(nèi)場景模擬用時較長的問題，因此提出一種基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)。

1設(shè)計基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)

1.1設(shè)計硬件

基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(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)計視覺模塊基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的立體傳感器和顯示技術(shù)設(shè)計視覺模塊，該模塊主要由多個立體視覺傳感器構(gòu)成，主要通過立體視覺傳感器的布設(shè)對設(shè)計的船舶室內(nèi)環(huán)境進行三維成像顯示。其中立體視覺傳感器的具體型號為XtionASUS，其具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.1.2設(shè)計數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊由PC機和GPU構(gòu)成。其中PC機主要用于核心數(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，選用的型號為 QuadroNvidia3000MGPU，其具體參數(shù)如表3所示[3]。

1.2設(shè)計軟件

基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)的軟件配置為室內(nèi)環(huán)境設(shè)計模塊。室內(nèi)環(huán)境設(shè)計模塊主要通過Direct3D軟件與OpenGL軟件進行船舶室內(nèi)環(huán)境的設(shè)計。其中OpenGL軟件主要作用是通過復(fù)雜曲面、曲線、簡單圖形、點、線等展示函數(shù)來設(shè)計室內(nèi)環(huán)境。該軟件能夠適應(yīng)Win-dows7、Unix等多種操作平臺。通過OpenGL軟件，能夠?qū)Υ笆覂?nèi)環(huán)境設(shè)計元素進行繪制，并將繪制結(jié)果發(fā)給Direct3D軟件對其實施最終處理[4]。而Direct3D軟件的主要作用是對船舶室內(nèi)模型進行構(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)場景數(shù)據(jù)。OpenGL軟件的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計就需要以構(gòu)建的船舶室內(nèi)模型為依據(jù)來進行。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)計的室內(nèi)環(huán)境元素，對船舶室內(nèi)模型進行環(huán)境充實，以及進行布局操作，并以*.x格式將充實后的船舶室內(nèi)模型保存至Direct3D軟件中，通過Direct3D軟件的引擎渲染模塊對設(shè)計結(jié)果進行渲染處理、編輯與輸出。

2仿真實驗

2.1實驗場景

為證明基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)的性能，對其進行實驗驗證。在實驗中，選擇某船舶對其進行室內(nèi)環(huán)境設(shè)計。實驗船舶的室內(nèi)區(qū)域場景具體如圖1所示。利用基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)對實驗船舶進行室內(nèi)環(huán)境設(shè)計。在實驗中，獲取室內(nèi)環(huán)境設(shè)計元素為20～40個范圍內(nèi)的室內(nèi)場景模擬用時數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)。為了避免本次實驗結(jié)果過于單一而缺乏對比性，將原有的2種船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)作為實驗中的對比系統(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)計系統(tǒng)。同樣利用這2種系統(tǒng)對實驗船舶進行室內(nèi)環(huán)境設(shè)計，獲取室內(nèi)環(huán)境設(shè)計元素為20～40個范圍內(nèi)的室內(nèi)場景模擬用時數(shù)據(jù)作為對比實驗數(shù)據(jù)。比較幾種實驗系統(tǒng)的室內(nèi)場景模擬用時實驗數(shù)據(jù)。

2.2結(jié)果比較

在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計元素為20～30個的范圍內(nèi)，基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(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)計系統(tǒng)的室內(nèi)場景模擬用時數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表4所示。可知，在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計元素為20～30個的范圍內(nèi)，基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)的室內(nèi)場景模擬用時低于基于環(huán)境因子、基于布局優(yōu)化的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)的室內(nèi)場景模擬用時。在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計元素為30～40個的范圍內(nèi)，基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(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)計系統(tǒng)的室內(nèi)場景模擬用時數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表5所示?？芍?，在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計元素為30～40個的范圍內(nèi)，基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)的室內(nèi)場景模擬用時低于基于環(huán)境因子、基于布局優(yōu)化的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)的室內(nèi)場景模擬用時。

3結(jié)語

基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)了室內(nèi)場景模擬用時的降低，對于船舶室內(nèi)環(huán)境設(shè)計效率的提升有一定意義。

參考文獻：

[1]胡元生,潘李,劉鑫.新型極地漁業(yè)科考船綠色船舶及環(huán)境保障系統(tǒng)設(shè)計[J].船海工程,2019(1):297–300.

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[3]史兵,段鎖林,李菊,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)移動滅火機器人系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機應(yīng)用,2018,38(1):290–295.

[4]黃語燕,王濤,鄭鴻藝,等.福建省薄膜溫室溫濕度采集系統(tǒng)的實現(xiàn)及濕熱環(huán)境分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學,2019,47(23):264–268.

作者：陳楊飛 單位：重慶大學