船舶航向/横摇运动姿态的虚拟现实视景仿真技术研究

摘要

船舶航向/横摇运动姿态的控制具有复杂多变的特点，是一种复杂的控制问题，只有采用先进的控制策略才能给出满意的船舶操纵性能。而控制策略的仿真、试验和实践在实际工程中必定耗费大量的人力物力，所以建立良好的仿真环境是检验各种控制算法的有效手段。本论文以Unreal Engine4为基础，研究、设计并实现了船舶航向/横摇运动姿态的3D平台式视景仿真系统和船舶航向/横摇运动姿态的VR虚拟现实系统，具体内容如下: 首先，提出了3D虚拟现实视景仿真系统的总体技术方案，包括三维静态网格体建模、二维贴图绘制、三维仿真环境搭建以及光照、材质处理，并且还有负责逻辑控制的蓝图系统。 其次，提出了3D平台式视景仿真系统的硬件配置方案和软件设计方法，设计了VR虚拟现实系统的器件配置方案，并且完成了系统功能设计;两个系统均实现了离线数据包驱动的仿真模式和在线实时数据驱动的仿真模式。 然后，针对3D平台式视景仿真系统和VR虚拟现实系统对碰撞检测速度和精度的要求，主要是凸体间的碰撞检测算法进行优化和改进，提出了基于AABB-MPSO的碰撞检测算法，通过搭建实验环境进行了验证和测试，验证了算法的效率和实时性。同时针对以上两个系统有着海量数据特征的三维空间环境，要保持视觉效果和较高的屏幕刷新率，提出了一种三维空间环境TIN模型的多分辨率表示算法，主要是一个基于顶点删除的有序过程，利用该算法成功搭建了3D平台式视景仿真系统和VR虚拟现实系统的实时三维空间环境，验证了算法的可行性。 最后，完成了船舶航向/横摇运动姿态的3D平台式视景仿真系统和船舶航向/横摇运动姿态的VR虚拟现实系统的开发。3D平台式视景仿真系统中，主要包括:三维场景的可视化过程、漫游系统的设计、固定观察视角的实现、HUD技术的分屏设计、UI交互界面的设计和实时三维曲线的绘制等。VR虚拟现实系统中，主要包括:VR头盔显示器与VR手柄的定位实现、VR虚拟现实场景的搭建、实时渲染的实现和VR虚拟现实场景中人机交互的设计与实现等。两套系统以不同的显示方式与交互方式组成了船舶航向/横摇运动姿态的综合实验平台。