CN106599501A - 一种基于ogre引擎的大型船舶柴油主机虚拟现实系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OGRE的船舶柴油机虚拟现实仿真系统。包括模型建立单元，该单元采集目标柴油主机参数和相关的实船参数，建立船舶主柴油机的三维仿真模型；碰撞检测单元，该单元调取所述的三维仿真模型，该单元接收所述的三维仿真模型作为动态活动对象和静态的环境对象；通过构建动态活动对象中可能产生运动冲突的模型顶点的射线段结合模型运行距离，计算射线段其它模型层次包围盒的相交情况，判定当前动态活动对象中的各部件模型以及动态活动对象和环境对象是否产生碰撞；达到模拟驾驶船舶和在机舱操纵船舶的目的。系统进行设计模块化设计，集成度高，扩展性好,只要建立相应领域模型,功能稍加修改,可应用于其他主机模拟器的开发操作。

Description

一种基于OGRE引擎的大型船舶柴油主机虚拟现实系统

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，特别是一种基于OGRE引擎的大型船舶柴油主机虚拟现实系统。

背景技术

近几年来，随着虚拟现实(VR)技术的不断发展，利用虚拟现实技术和计算机仿真技术，建立一个具有听觉、视觉和触觉的多模式虚拟环境，借助于虚拟现实的输入输出设备，设计者可在虚拟环境中进行人机交互。

由于实物试验平台建设和使用时，不论试验平台的利用率高低，会消耗大量的水、电、柴油等资源，并产生一定的设备折旧、维修、维护及环境治理费用。当需要进行某些新方案、新设备验证时，实物试验平台必须购置大量新设备，费用较高、采购周期较长，且新技术的应用存在一定的技术风险，一旦出现问题，很容易造成设备损坏。研发的主柴油机虚拟现实技术系统能够模拟实际机舱或实验室中主柴油机系统教学的几乎所有内容，具有可以无限次安装、经济适用的特点。为学生提供了大量的实际操作机会，不仅可以使学员在没有安装实际设备的培训中快速地掌握职业技能，而且使学生在走上航海运输岗位之后能够大大地缩短适应期。培训和学习的效果良好，在虚拟现实技术的培训过程中学生能够真正地成为学习的主体，由以前的“被动式学习”转变为“主动式学习”，而且还具有高度的自由性。可以节省大量的购买和维修保养等费用开支；具有良好的安全性，不会造成人员的伤害和设备的损坏。

Ogre是一个成熟、稳定的实时3D引擎。引擎中的类库建立在底层的系统库(如:Direct3D和OpenGl)之上，并对其进行了抽象，更方便于开发者编程实现对虚拟系统的开发。在该引擎的基础上很容易实现船舱漫游系统的搭建及渲染。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于OGRE的船舶柴油机虚拟现实仿真系统。

本发明采用的技术方案如下一种基于OGRE引擎的大型船舶柴油主机虚拟现实系统，包括：

模型建立单元，该单元采集目标柴油主机参数和相关的实船参数，建立船舶主柴油机的三维仿真模型；

碰撞检测单元，该单元调取所述的三维仿真模型，该单元接收所述的三维仿真模型作为动态活动对象和静态的环境对象；通过构建动态活动对象中可能产生运动冲突的模型顶点的射线段结合模型运行距离，计算射线段其它模型层次包围盒的相交情况，判定当前动态活动对象中的各部件模型以及动态活动对象和环境对象是否产生碰撞；

场景显示单元，对经所述碰撞检测单元检测不存在碰撞冲突的三维仿真模型输出显示，完成船舶柴油主机虚拟显示。

作为优选的实施方式，所述的碰撞检测单元判定碰撞的方法具体为：

选取动态活动对象中具有相对运动的模型A和模型B，获取模型A全部的顶点坐标；获取模型B的AABB层次包围盒信息和模型B全部三角面片的顶点坐标，三角面片总数记作f，并将f个三角面顶点信息构建成顶点纹理V；

创建所述模型A各个顶点的射线，所述的各射线相互平行，射线方向与模型A移动的方向一致；

假设模型A有n个顶点，第i个顶点坐标记为(x_i，y_i，z_i)，设定阈值l作为碰撞精度，模型A全部顶点的射线方向记作(u_i，v_i，w_i)，其中，求得第i个顶点对应的第i条射线另一端点为(x_i+lu_i，y_i+lv_i，z_i+lw_i)；

在模型A向模型B运动靠近过程中，模型A运行距离d，实时计算模型A各顶点射线与模型B层次包围盒的是否相交；

如所有的射线均与六个矩形面不相交，说明模型A与模型B未发生碰撞，输出所述的三维仿真模型。

更进一步的，模型A与模型B的层次包围盒发生碰撞时，碰撞检测单元记录射线新的端点位置分别为：

P₀(x_i+du_i,y_i+dv_i,z_i+dw_i)

P₁(x_i+(1+d)u_i,y_i+(1+d)v_i,z_i+(1+d)w_i)

假设有m条发生相交的顶点射线，依次遍历模型B的f个三角面并实时计算该三角面与模型A的m条顶点射线的交点，如模型B的所有三角面f_i与模型A的所有射线均不相交，则未发生碰撞；

模型A继续沿该射线方向的运动，如模型B中有一条三角面f_i与模型A中的任意一条射线相交，则发生碰撞，此时模型A停止该射线方向的运动，不进行显示输出。

作为优选的实施方式，所述的模型建立单元采用SolidWorks的新建零件的功能特性建立所述的三维仿真模型。

作为优选的实施方式，具有模型优化单元对所述的三维模型进行至少包含材质贴图、设置场景灯光以及采用烘培技术，将Complete Map好的光感和lighting Map的清晰纹理的两种贴图叠进行叠加。

作为优选的实施方式，参数设定和反馈的客户端以及连通该设定反馈单元和虚拟现实系统的服务器；

通信过程中，服务器调用函数socket()创建套接字，调用函数bind()将套接字绑定到客户端的端口上，调用函数listen()监听参数设定/反馈单元的数据变化，即等待客户请求；

当请求达到后，返回一个新的对应于此次连接的套接字，用到函数accept()，通过调用send()/recv()与客户端进行通信，此次数据传输完成后返回，等待用户另一个请求，调用closesocket()函数关闭套接字；

客户端调用函数socket()创建套接字，通过调用connect()函数向服务器发出连接请求，通过调用send()/recv()与客户端进行通信，调用closesocket()函数关闭套接字。

通过采用上述技术方案，本发明公开的一种基于OGRE引擎的大型船舶柴油主机虚拟现实系统，能够使操作人员虚拟操控船舶主柴油机进行启动、停车和加减速运转等，实时显示船舶主柴油机的工作特性曲线，达到模拟驾驶船舶和在机舱操纵船舶的目的。系统进行设计模块化设计，集成度高，扩展性好,只要建立相应领域模型,功能稍加修改,可应用于其他主机模拟器的开发操作。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的碰撞检测的流程图

图2为本发明的仿真平台与虚拟现实通讯框图

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

一种基于OGRE引擎的大型船舶柴油主机虚拟现实系统，主要包括：

模型建立单元，该单元采集目标柴油主机参数和相关的实船参数，建立船舶主柴油机的三维仿真模型。该建立单元可以通过访问柴油机的技术说明书或者根据输入数据进行模拟，在本实施例中采用MAN-B&W公司的说明文档。选取说明文档中相关数据包括：主柴油机的各固定部件和运动部件尺寸、燃烧工作过程数据、曲柄连杆机构、螺旋桨的运动情况数据、零件间的配合尺寸数据以及主柴油机的图片等。

模型建立单元在零件建模时可以应用的是SolidWorks的新建零件的功能特性作为建模的主要手段，也可采用其它较为成熟的现有技术。

为了能够获得更为精细的模型，作为优选的实施方式，系统内还设有模型优化单元对所述的三维模型进行至少包含材质贴图、设置场景灯光以及采用烘培技术，将Complete Map好的光感和lighting Map的清晰纹理的两种贴图叠进行叠加。

在实际的操作过程中，可以采用3dsMax对船舶主柴油机的三维模型进行优化处理，根据真实场景选择合适的贴图模仿船舶上部件的材质，设置场景灯光，采用烘培技术，将Complete Map好的光感和lighting Map的清晰纹理的两种贴图叠加在一起使用，得到的烘焙贴图为.dds格式图片，它会自动贴到场景中去。

进行渲染时关闭场景里的所有灯光，并关闭高级光照light Tracer，便能得到烘焙后的场景效果，渲染效率明显得到提高。建好的三维模型文件默认是.max格式，采用OgreMax导出插件，将设计的三维模型分别导出格式为.scene、.mesh和.material的文件。

碰撞检测单元作为虚拟现实系统能够流畅无误运行的关键组件，作为优选的实施方式，碰撞检测单元的输入模型为一个静态的环境对象和一个动态的活动对象。其中环境对象的位姿不会发生变化，而活动对象可以在虚拟场景中自由运动，其位姿完全取决于仿真过程或者用户控制的输入设备。

碰撞检测的任务是确定在某一时刻两个几何模型是否发生干涉，即它们的交集是否不为空，如发生了碰撞，再进行面片级的精确干涉检测，确定两个几何模型是否发生精确干涉。

作为优选的所采用的碰撞检测方法：获取第一模型A所有顶点信息，获取模型B的AABB层次包围盒信息；获取模型B各三角面片的顶点信息，三角面片总数记作f，并将f个三角面顶点信息构建成顶点纹理V。

AABB盒，一个3D的AABB就是一个简单的六面体，每一边都平行于一个坐标平面，矩形边界框不一定都是立方体，它的长、宽、高可以彼此不同。

AABB的重要性质:

Ymin<＝Y<＝Ymax

Zmin<＝Z<＝Zmax

特别重要的两个顶点为：Pmin＝[Xmin Ymin Zmin]，Pmax＝[Xmax Ymax Zmax]。

为模型A的各个顶点创建射线，假设模型A有n个顶点，第i个顶点坐标记为(x_i，y_i，z_i)，)，设定阈值l作为碰撞精度，所有射线相互平行，射线方向与模型A移动的方向一致，射线方向记作(u_i，v_i，w_i)，其中，求得第i个顶点对应的第i条射线另一端点为(x_i+lu_i，y_i+lv_i，z_i+lw_i)。

记录模型A向模型B运动靠近过程中的运行距离d，实时计算模型A各顶点射线与模型B层次包围盒的相交情况，如所有的射线均与六个矩形面不相交，说明模型A与模型B未发生碰撞，因此不做处理。

如模型A与模型B的层次包围盒发生碰撞，则记录射线新的端点位置分别为P₀(x_i+du_i,y_i+dv_i,z_i+dw_i)与P₁(x_i+(1+d)u_i,y_i+(1+d)v_i,z_i+(1+d)w_i)，假设有m条发生相交的顶点射线，依次遍历模型B的f个三角面并实时计算该三角面与模型A的m条顶点射线的交点，如模型B的所有三角面f_i与模型A的所有射线均不相交，则未发生碰撞，模型A继续沿该射线方向的运动，如模型B中有一条三角面f_i与模型A中的任意一条射线相交，则发生碰撞，此时模型A停止该射线方向的运动。

碰撞检测单元确认当前模型建模合理，不存在冲突的情况后，将模型传输至场景显示单元，对经所述碰撞检测单元检测不存在碰撞冲突的三维仿真模型输出显示，完成船舶柴油主机虚拟显示。

在本发明的实施例中，选用OGRE作为虚拟现实引擎工具，在Visual Studio 2010平台上通过调用OGRE模块和三维场景模型数据来实现程序设计。OGRE初始化mRoot，并构造个插件信息plugins.cfg、界面启动时的配置信息ogre.cfg和l.log类型的参数，工作包括：创建对象、创建场景管理器、载入场景资源信息、摄像机和帧监听器等。OGRE渲染引擎将真实的场景划分为抽象的不同空间，每一个空间都有一个SceneNode对象，并通过各自的SceneNode对象来管理。用来完成移动、旋转、缩放等空间动作，场景元素Entity(实体)、Light(灯光)、Camera(摄像机)等挂接在上面。在实际的渲染流程中，虚拟物体的渲染主要是利用其自身场景管理器OGRE::SceneManager进行构建的，通过把活动的实体、静止实体以及光照等通过场景节点绑定到虚拟的环境中，OGRE就会通过SceneManager场景管理器来进行渲染。在Visual Studio 2010环境下利用Direct3D和OpenGL函数库提供的三维绘制函数以及窗口管理函数，创建模型演示窗口以及网格简化窗口。

考虑到系统数据的复杂性，为了方便不同平台之间数据沟通，作为优选的实施方式，还设有针对柴油主机参数设定和反馈的客户端以及连通该设定反馈单元和虚拟现实系统的服务器。

服务器的主要作用是，一方面是通过二维的轮机模拟器系统发送信息给基于OGRE引擎的虚拟现实技术平台OGRE虚拟现实技术平台接收后对数据的格式进行转换1，进而根据接收的数据来驱动设备对象，使其改变相应状态或产生相应运动。

另一方面是用户在OGRE虚拟现实平台中改变相应设备对象的状态时，虚拟现实技术平台产生数据，并转换数据格式2，然后通过消息把数据发送给轮机模拟器平台，模拟器平台所模拟的设备产生相应的变化。

图2为仿真平台与虚拟现实通讯框图，网络传输就是为仿真系统(控制端)和虚拟现实系统(渲染端)提供了一个交互的中介，渲染端和控制端通过开启的服务器端交互数据信息来更新自己。

定义基于XML的动态数据结构及各层次之间的通信协议，完成对于多控制端和多渲染端的对应信号传输，以实现通讯的实时性和准确性。上位机采用VC++编程，利用Microsoft Windows提供的的网络程序设计接口，基于TCP协议实现。Socket实际在计算机中提供了一个通信端口，可以通过这个端口与任何一个具有Socket接口的计算机通信。应用程序在网络上传输，接收的信息都通过这个Socket接口来实现。

服务器端编程步骤：调用函数socket()创建套接字，调用函数bind()将套接字绑定到端口上，调用listen()进行监听，等待客户请求，当请求达到后，返回一个新的对应于此次连接的套接字，用到函数accept()，通过调用send()/recv()与客户端进行通信，此次数据传输完成后返回，等待用户另一个请求，调用closesocket()函数关闭套接字。

客户端编程步骤：调用函数socket()创建套接字，通过调用connect()函数向服务器发出连接请求，通过调用send()/recv()与客户端进行通信，调用closesocket()函数关闭套接字。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于OGRE引擎的大型船舶柴油主机虚拟现实系统，其特征在于包括：

模型建立单元，该单元采集目标柴油主机参数和相关的实船参数，建立船舶主柴油机的三维仿真模型；

碰撞检测单元，该单元调取所述的三维仿真模型，该单元接收所述的三维仿真模型作为动态活动对象和静态的环境对象；通过构建动态活动对象中可能产生运动冲突的模型顶点的射线段结合模型运行距离，计算射线段其它模型层次包围盒的相交情况，判定当前动态活动对象中的各部件模型以及动态活动对象和环境对象是否产生碰撞；

场景显示单元，对经所述碰撞检测单元检测不存在碰撞冲突的三维仿真模型输出显示，完成船舶柴油主机虚拟显示。

2.根据权利要求1所述的基于OGRE引擎的大型船舶柴油主机虚拟现实系统，其特征还在于所述的碰撞检测单元判定碰撞的方法具体为：

选取动态活动对象中具有相对运动的模型A和模型B，获取模型A全部的顶点坐标；获取模型B的AABB层次包围盒信息和模型B全部三角面片的顶点坐标，三角面片总数记作f，并将f个三角面顶点信息构建成顶点纹理V；

创建所述模型A各个顶点的射线，所述的各射线相互平行，射线方向与模型A移动的方向一致；

假设模型A有n个顶点，第i个顶点坐标记为(x_i，y_i，z_i)，设定阈值l作为碰撞精度，模型A全部顶点的射线方向记作(u_i，v_i，w_i)，其中，求得第i个顶点对应的第i条射线另一端点为(x_i+lu_i，y_i+lv_i，z_i+lw_i)；

在模型A向模型B运动靠近过程中，模型A运行距离d，实时计算模型A各顶点射线与模型B层次包围盒的是否相交；

如所有的射线均与六个矩形面不相交，说明模型A与模型B未发生碰撞，输出所述的三维仿真模型。

3.根据权利要求2所述的基于OGRE引擎的大型船舶柴油主机虚拟现实系统，其特征还在于模型A与模型B的层次包围盒发生碰撞时，碰撞检测单元记录射线新的端点位置分别为：

P₀(x_i+du_i,y_i+dv_i,z_i+dw_i)

P₁(x_i+(1+d)u_i,y_i+(1+d)v_i,z_i+(1+d)w_i)

假设有m条发生相交的顶点射线，依次遍历模型B的f个三角面并实时计算该三角面与模型A的m条顶点射线的交点，如模型B的所有三角面f_i与模型A的所有射线均不相交，则未发生碰撞；

模型A继续沿该射线方向的运动，如模型B中有一条三角面f_i与模型A中的任意一条射线相交，则发生碰撞，此时模型A停止该射线方向的运动，不进行显示输出。

4.根据权利要求1所述的基于OGRE引擎的大型船舶柴油主机虚拟现实系统，其特征还在于所述的模型建立单元采用SolidWorks的新建零件的功能特性建立所述的三维仿真模型。

5.根据权利要求1所述的基于OGRE引擎的大型船舶柴油主机虚拟现实系统，其特征还在于具有模型优化单元对所述的三维模型进行至少包含材质贴图、设置场景灯光以及采用烘培技术，将Complete Map好的光感和lightingMap的清晰纹理的两种贴图叠进行叠加。

6.根据权利要求1所述的基于OGRE引擎的大型船舶柴油主机虚拟现实系统，其特征还在于参数设定和反馈的客户端以及连通该设定反馈单元和虚拟现实系统的服务器；

通信过程中，服务器调用函数socket()创建套接字，调用函数bind()将套接字绑定到客户端的端口上，调用函数listen()监听参数设定/反馈单元的数据变化，即等待客户请求；

当请求达到后，返回一个新的对应于此次连接的套接字，用到函数accept()，通过调用send()/recv()与客户端进行通信，此次数据传输完成后返回，等待用户另一个请求，调用closesocket()函数关闭套接字；

客户端调用函数socket()创建套接字，通过调用connect()函数向服务器发出连接请求，通过调用send()/recv()与客户端进行通信，调用closesocket()函数关闭套接字。