基于PC机的船舶操纵模拟器视景仿真系统的设计与实现

摘要

视景仿真技术是虚拟现实技术和交互式分布仿真技术的重要研究内容。视景仿真技术可以模拟现实的场景环境或者人为构想的虚拟环境，在虚拟环境下完成既定任务。视景仿真技术具有的安全性好、效率高、成本低廉等优点，在各个行业和领域得到了快速发展和应用。
　　我国领海疆域广阔，其内有丰富的矿物质资源和生物资源。无论是要保护海洋领土权益还是要开发海洋资源，都需要大量的技术一流经验丰富的船舶操作人员。船舶操纵模拟器在船员培训上存在培训的时间地点受限等局限。基于这种情况，本文运用视景仿真技术设计开发了基于PC机的船舶操纵模拟器视景仿真系统。它可以让船员随时随地地运用自己的电脑进行自我学习，辅助传统的船舶操纵模拟器设备进行船员培训。论文的主要研究内容如下：
　　首先，分析了船舶操纵模拟器视景仿真系统的基本要求，根据这些要求和船舶操纵对象的特点提出了仿真系统的功能模块。针对每个功能模块，提出了结构框架。
　　其次，研究了船舶操纵模拟器视景仿真系统中船舶运动操纵、特效现象、交互漫游的实现方法。建立了船舶在海洋中的运动数学模型，并以此作为船舶操纵性仿真的理论基础，为后期船舶运动程序的编辑提供依据。研究了基于粒子系统的特效技术实现方法，并实现了船舶尾流和天气环境特效。分析了虚拟漫游系统的特点，研究出了一种简单易行的基于附加坐标系的交互式漫游实现方法。
　　再次，建立了船舶操纵模拟器视景仿真系统的模型资源库，方便对各种模型资源进行管理和调用。以3Ds max软件平台为基础，研究了三维场景模型的构造技术，并建立仿真三维模型。研究了基于DS的大地形仿真方法和三维模型的简化方法，并运用该方法对场景中三维模型进行简化，提高了系统的实时性。
　　最后，该设计实现了基于 PC机的船舶操纵模拟器视景仿真系统。先从整体上对系统的框架进行分析和设计，对各种功能进行整合；然后运用Virtools虚拟视景仿真平台开发了仿真界面、船舶交互操纵系统、基于粒子系统的船舶尾流和天气环境特效仿真和交互控制漫游等功能模块，建立了系统中各元素的运行程序脚本，实现并发布了基于PC机的船舶操纵模拟器视景仿真系统。

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第 1 章 绪论

1.1 船舶操纵模拟器视景仿真系统的研究背景和意义

1.2 视景仿真技术的研究现状

1.3 本文的研究目标和研究内容

第 2 章 船舶操纵模拟器视景仿真系统分析

2.1 船舶操纵模拟器视景仿真系统要求

2.2 船舶操纵模拟器视景仿真系统功能框架设计

2.3 仿真平台分析与选择

2.4 本章小结

第 3 章 船舶操纵模拟器视景仿真系统功能实现方法研究

3.1 船舶动力学建模

3.2 船舶运动学建模

3.3 基于粒子系统的特效实现方法

3.4 虚拟漫游技术实现方法

3.5 本章小结

第 4 章 仿真场景中三维模型的构建

4.1 创建模型数据资源库

4.2 创建虚拟三维模型

4.3 基于 DS 的大地形场景模型创建

4.4 三维模型简化技术研究

4.5 模型格式转化与初始设置

4.6 本章小结

第 5 章 船舶操纵模拟器视景仿真系统的设计和实现

5.1 总体系统设计

5.2 仿真界面程序设计

5.3 三维场景交互功能实现

5.4 基于粒子系统的特效实现

5.5 虚拟漫游功能实现

5.6 本章小结

结 论

参考文献

致谢