CN101577060A - 一种用于航海模拟器视景系统的助航灯光实时仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于航海模拟器视景系统的助航灯光实时仿真方法，包括如下步骤：1)确定视景系统的显示参数，并计算单位体积助航灯光的可见距离；2)根据单位体积的助航灯光可见距离构造灯塔、灯浮和灯桩的发光体；3)按照海图标注的助航灯光闪烁规则对灯塔、灯浮和灯桩发光体的闪烁时间及间隔进行控制；4)按照国际海上避碰规则对船舶航行灯的可见范围进行计算与显示，实现航海模拟器视景系统助航灯光的实时仿真。本发明的有益效果是：本发明用于在航海模拟器的视景系统中，对各种助航灯光进行仿真，使其符合国际STCW78/95公约等国际海上避碰规则对航海模拟器的视景部分的相应要求，增强航海模拟器仿真的物理真实感。

Description

一种用于航海模拟器视景系统的助航灯光实时仿真方法

技术领域

本发明涉及虚拟现实与航海技术应用领域，具体涉及一种用于航海模拟器视景系统的助航灯光实时仿真方法。

背景技术

随着虚拟现实技术的快速发展与广泛应用，虚拟现实与航海技术也紧密结合在一起，如以航海模拟器视景系统形式表现出来的虚拟环境仿真，就具备这种虚拟现实结合航海技术的典型特点。

国际海事组织(IMO)海员培训、发证和值班标准国际公约(STCW78/95公约)对航海模拟器的视景部分有相应的要求，其中第B-I/12第37段中要求“夜间从驾驶台看到真实视景”，就是要求灯光能显示，并且这种灯光的显示要真实，与实际的灯光信息致。英国航运安全委员会(MSA)依据STCW78/95公约对航海模拟器的认证细则中视景部分的19款要求“航行灯、航行标志和岸上特征应根据海图信息显示正确的颜色和特征”。国际著名船级社挪威船级社(DNV)指出航海模拟器的夜景灯光显示要与国际海上避碰规则要求的一致。《1972年国际海上避碰规则》第三章中对号灯的定义、号灯的显示时间、可见距离，不同类型不同大小船舶在进行不同性质的作业时所显示的号灯均有详细的规定。

随着计算机技术和图形学的发展，航海模拟器的视景系统已能较为真实地模拟船舶的虚拟航行环境。但是，对助航标志灯光的仿真还不够真实，不能精确控制助航标志灯光的各种状况。要想使助航标志灯光能够按照海图上标注的信息正确发光，需要解决以下二个问题：助航标志灯光如灯塔、灯浮和灯桩可见距离的保障方法，助航标志灯光闪烁规律的控制方法，以及航行灯可见范围的计算与显示方法。进一步考察可以发现，当灯塔或灯浮距离本船较近时，助航标志灯光都能够按照海图上标注的信息正确发光，船舶驾驶员和引水员可以利用灯光信息来导航或能看清它船的航行灯而进行正确的操纵和避碰。然而，随着距离的增加当这些助航标志的发光部件在计算机屏幕上的投影小于一个象素时，灯光就不再在屏幕上显示出来了。而事实上这些灯光还在可见距离内，所以还需要研究助航标志如灯塔、灯浮和灯桩的可见距离保障方法，来保证这些灯光能在其可见距离内得以正确显示。此外，由于助航标志灯光是按照海图上标注的信息进行颜色和闪烁时间控制的，所以还需要提供助航标志灯光闪烁规律的控制方法。航行中的船舶是通过观察它船的航行灯来判断本船与它船的相对位置的，故需要提供航行灯可见范围的计算与显示方法。因此必须提供一种用于航海模拟器视景系统中的助航标志灯光仿真方法，使助航标志灯光能够按照海图上标注的信息正确发光，以满足相关公约和标准的要求。

国内外一些研究机构和公司一直在研究助航灯光的仿真方法。在国内，上海海事大学的卫家骏提出了利用中版《航标表》和海图求灯标的最大可见距离的方法^[1]；孙珽对航海学中有关灯塔最大可见距离进行了探讨^[2]；金一丞和尹勇对航海模拟器视景中夜景和雾景进行了研究^[3]，提出了在800×600分辨率下的助航灯光可见距离计算方法以及航行灯可见范围的计算与显示方法。在国外的相关文献中，目前还没有找到相关的研究成果。对上述文献所涉及的研究成果作认真分析后可发现，当前的航海模拟器中助航灯光的仿真方法尚存在如下缺陷：

1、没有形成一套完整的航海模拟器中助航灯光的实时仿真方法，不同的研究人员仅对其中某个具体的问题进行了研究；

2、目前视景显示几乎无一例外地采用光栅扫描设备，要想在屏幕上显示一个物体，必须保证让经过一系列变换以后该物体的图形能覆盖屏幕上至少一个象素。采用固定大小灯光几何模型绘制灯光，当上述条件不满足，而灯光与本船的距离尚在可见距离内时，助航标志灯光将无法显示；

3、文献[1，2]描述的灯标可见距离计算方法主要是针对实际海上灯标而言，并非航海模拟器视景系统中的虚拟灯标，文献[3]提出的助航灯光可见距离计算方法可供借鉴，但尚需作部分修改；

4、没有提出助航标志灯光闪烁规律的控制方法，不能精确地控制助航标志灯光的闪烁，有可能导致视景系统里的助航标志灯光与海图标注信息的不一致；

5、文献[3]描述的航行灯可见范围的显示方法中，光弧范围的控制采用在灯光的周围加灯罩的方法得以实现，由于灯罩的位置固定，当本船与目标船的航向偏离较大时，可能造成目标船航行灯只显示一个细条。

参考文献：

[1]卫家骏，沈淳.灯标最大可见距离的计算[J].航海技术，2006，6：8-9.

[2]孙珽.航海学中有关灯塔最大可见距离的思考[J].中国水运，2006，4(2)：179-180.

[3]金一丞，尹勇等.航海模拟器视景中夜景和雾景研究[J].大连海事大学学报，1998，24(2)，26-31.

发明内容

本发明的目的是提供一种用于航海模拟器视景系统的助航标志灯光实时仿真方法，用以解决助航标志灯光可见距离保障、灯光闪烁规律的精确控制以及航行灯可见范围的计算与显示问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

理论推导出单位体积助航灯光在视景系统中的可见距离，在显示分辨率为1024×768，水平视场角为40°，垂直视场角为30°时，约为1406米，超过此距离的助航灯光显示需采用可见距离保障方法，即灯的几何模型大小需根据其可见距离按比例放大，距离每增加1406米灯的几何模型就放大一倍；

对整幅海图区域内的助航灯光进行统计分类，对每一类别助航灯的闪烁规律及颜色进行配置，建立助航灯的几何模型并设置颜色，通过绘制与不绘制控制其亮和灭的闪烁规律；

确定航行灯(包括桅灯、舷灯和尾灯)的水平光弧范围，对所有船型的各种航行灯可见范围等参数按一定规则设置到配置文件，不事先建立航行灯的几何模型，通过计算本船与它船的距离以及航向的夹角，判断当前哪些航行灯可见，并根据其颜色、大小和可见范围实时绘制自发光点。

本发明的有益效果在于：可解决助航标志灯光可见距离保障、灯光闪烁规律的精确控制以及航行灯可见范围的计算与显示问题，所采用的方法简捷，结果可靠，实时性好；可实现视景系统中助航标志灯光的仿真与海图上标注的信息相一致，并满足相关公约和标准的要求。

附图说明

图1是本发明助航灯光实时仿真方法的流程图。

图2是本发明视景系统定义的视见体示意图。

图3是本发明中桅灯、舷灯和尾灯的水平光弧范围。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

本发明公开了一种用于航海模拟器视景系统的助航标志灯光实时仿真方法，图1为该方法的流程示意图，包括以下步骤：

步骤101，确定视景系统的显示参数，并计算单位体积助航标志灯光的可见距离；

根据要求确定视景系统的显示分辨率为1024×768，设定水平视场角为40°，垂直视场角为30°；X方向(水平方向)每一个象素的宽度为2/1024＝1/512，通过参数l(左裁剪面)、r(右裁剪面)、t(上裁剪面)、b(下裁剪面)、n(近裁剪面)和f(远裁剪面)定义视见体，如图2所示，其中l，r指定前裁剪面的左、右坐标；b、t指定前裁剪面的下、上坐标；n、f指定前裁剪面和后裁剪面距离视点的深度坐标。由于水平视场角和垂直视场角已确定，结合航海实践选取r＝7.2794，l＝-7.2794，t＝5.45955，b＝-5.45955，nr＝20，f＝38040。

以下推导了单位体积大小的助航标志灯光在屏幕上投影为一个象素的可见距离。这里单位体积取边长为1米的正方体助航标志灯，根据已建立的视见体计算透视投影变换矩阵，得到：

$R_p=\left[\begin{array}{cccc}\frac{2n}{r-l}& 0& \frac{r+l}{r-l}& 0\\ 0& \frac{2n}{r-b}& \frac{t+b}{t-b}& 0\\ 0& 0& -\frac{f+n}{f-n}& -\frac{2f\·n}{f-n}\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right]$

某顶点经过透视变换后的齐次坐标为：(x′，y′，z′，w′)＝(x，y，z，w)·R′_p，

展开后得到 $z^{\′}=(\frac{-(f+n)}{f-n}+\frac{w}{z}\·\frac{2\mathrm{fn}}{f-n}),$

将上述参数代入计算得到z′＝-1406.7，即将体积为1立方米的助航标志灯光在屏幕上投影为一个象素的可见距离约为1407米，若用这样的模型作为标志灯光，在其前方能显现的最远距离只能为1407米，超过这个距离灯光就不能在屏幕上显示。以某港口为例，助航灯光可见距离如表一所示，故需要根据助航灯光的可见距离构造灯光发光体的几何模型，使其在规定范围内可按要求显示并助航。

表一

灯光名称	海图上标注的可见距离
		前叠标的上部灯光	4.5km
前叠标的中间灯光	7km
		前叠标的下部灯光	6km
后叠标的上部灯光	4.5km
		后叠标的中部灯光	7km
后叠标的下部灯光	6km

步骤102，根据单位体积的助航灯光可见距离构造灯塔、灯浮和灯桩的发光体；

以灯塔为例，其它助航灯与其类似。发光体位于灯塔最尖端，因此整个方法仅对其发光体进行处理即可满足助航灯光的要求。本发明的处理方法是首先将整个灯塔的中心平移到世界坐标系的原点；然后对发光体进行比例放大；为了保证灯塔在其可见距离能正常显示必须确定距离档与放大比例的关系。由以上单位体积的助航灯光可见距离计算可知，灯光与视点的距离每增加1406米，灯光模型的几何尺寸就应放大1倍，故使用建模工具建立灯的几何模型时，首先建立自发光的几何模型，然后根据海图上标注的可见距离计算需要将灯放大的倍数。如表一所示海图上标注的后叠标的下部灯光可见距离为6千米，则该灯浮应放大4.2倍，考虑到显示的可靠性，这里选取放大5倍。将灯光几何模型在距离超过计算显示距离后加以放大，是基于这样一种现实，人与灯距离较近时，人观察到的是灯(包括灯罩)的外形，距离较远时人观察到的是该灯产生的光晕。实践表明光晕的大小远远大于灯的几何尺寸。所以距离较远时将灯浮的几何模型按比例放大是合情合理的。此外，还应考虑从一个距离档到另一个距离档切换时，所显示的灯光大小没有明显的突变，根据实际的视觉感受将距离档设置在1200米至1400米之间，效果是最理想的。最后，还要将整个灯塔的中心平移回原处。使用本发明的助航灯光可见距离保障算法，驾驶员不但可以在电子海图上看到船舶与助航灯光的相对位置，还可以在视景系统中对照海图信息，准确地观察到本船两侧由近至远的助航灯光信息，并利用它来引导船舶安全地进出港口。

步骤103，按照海图标注的助航灯光闪烁规则对灯塔、灯浮和灯桩发光体的闪烁时间及间隔进行控制；

对整幅海图区域内的助航灯光进行统计划分，搜索闪烁规律和灯光颜色相同的助航灯并分进行分类；分别对每一类别助航灯的闪烁规律及灯光颜色进行设置，并保存到配置文件，这里将夜间的目标模型定义为不同类别加以区分显示：0：用于晚上显示的固定目标模型，-1：用于晚上显示的固定发光物体模型：如灯塔等，不随潮高变化，当能见度小于20000米时，自动打开，-2：用于夜晚显示的固定发光物体模型的底座：如灯塔等，不随潮高变化，当能见度小于20000米时，自动打开，-3：用于晚上显示的可动发光物体模型：如浮筒等，计划可以让其随潮高变化，但必须和原始模型匹配，当能见度小于20000米时，自动打开，-4：用于夜晚显示的可动目标模型的底座：如浮筒、漂浮物等，计划可以让其随潮高变化，当能见度小于20000米时，自动打开。表二所示为助航灯闪烁及颜色变化规律的配置规则，如第一列名字为L14129DF-1的灯浮，首先要建立好该灯浮的几何模型，当船舶航行到该灯浮的可见距离范围内时，通过载入配置文件读取该灯浮的颜色及闪烁规律，然后设置灯浮颜色为红色，绘制并显示该灯浮时间为0.5秒，不绘制该灯浮时间为3.5秒，实现闪烁规律的控制。

表二

索引＝1	索引＝2	索引＝3
			名称＝L14129DF-1	名称＝L14129DF-2	名称＝L14129DF-3
颜色＝0.80.40.2	颜色＝0.80.40.2	颜色＝0.80.40.2
			闪烁数量＝1	闪烁数量＝3	闪烁数量＝2
0.5  3.5	0.5  0.5	0.5  0.5
				0.5  0.5	0.5  4.5
	0.5  7.5

步骤104，按照国际海上避碰规则对船舶航行灯的可见范围进行计算与显示。

海上的助航灯还包括船舶航行灯，在视景系统中本船根据所见到的船舶航行灯判断它船的态势，这在夜间或低能见度情况下进行避让操作是十分重要的。本发明采用如下方法对船舶航行灯的可见范围进行计算与显示：首先确定桅灯、舷灯和尾灯的水平光弧范围如图3所示；航行灯与其它发光物体的区别在于其光弧有一个可见范围，桅灯的水平光弧范围为225°，舷灯的水平光弧范围为112.5°，尾灯的水平光弧范围为135°；根据《国际海上避碰规则》规定船舶各类航行灯的可见距离如表三所列。

表三

船长	桅灯	舷灯	尾灯	拖带灯	环照灯
						L＞＝50米	6米	3米	3米	3米	3米
50米＞L＞＝12米	5米(L＜20米)3米	2米s	2米	2米	2米
						L＜12米	2米	1米	2米	2米	2米

对所有船型的各种航行灯可见范围、可见距离、灯光颜色等参数按一定规则进行设置，并保存到配置文件；实时计算本船与目标船的距离以及航向的夹角，判断当前目标船哪些航行灯可见，并根据距离确定绘制点时的像素数量；如当前本船只能看见目标船的尾灯，则通过读取配置文件信息，按照该目标船的船型读取尾灯可见距离、灯光颜色和可见范围，在尾灯的水平光弧范围135°内实时绘制一个包含所计算像素个数的自发光点，这样做的好处是既满足了实时性又提高了效率，而且不会产生文献[3]方法的亮线现象。

根据以上步骤，可实现航海模拟器视景系统助航灯光的实时仿真。

Claims (3)

1、一种用于航海模拟器视景系统的助航灯光实时仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)确定视景系统的显示参数，并计算单位体积助航灯光的可见距离；

2)根据单位体积的助航灯光可见距离构造灯塔、灯浮和灯桩的发光体；

3)按照海图标注的助航灯光闪烁规则对灯塔、灯浮和灯桩发光体的闪烁时间及间隔进行控制；

4)按照国际海上避碰规则对船舶航行灯的可见范围进行计算与显示，实现航海模拟器视景系统助航灯光的实时仿真。

2、如权利要求1所述的一种用于航海模拟器视景系统的助航灯光实时仿真方法，其特征在于，所述的步骤3)的具体实现方法是：对整幅海图区域内的助航灯光进行统计分类，采用配置文件对每一类别助航灯的闪烁规律及灯质颜色进行设置，船舶航行到任意助航灯光的可见距离范围内时通过载入配置文件进行发光控制。

3、如权利要求1所述的一种用于航海模拟器视景系统的助航灯光实时仿真方法，其特征在于，所述的步骤4)的具体实现方法是：确定航行灯的水平光弧范围，对所有船型的各种航行灯可见范围、可见距离、灯光颜色等参数按规则设置到配置文件，通过计算本船与它船航向的夹角，判断出当前可见的航行灯并进行实时绘制。

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