專利名稱：基于立體全景的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種虛擬船舶駕駛系統(tǒng)，特別涉及一種基于立體全景的虛 擬船舶駕駛系統(tǒng)。
技術(shù)背景
虛擬船舶駕駛系統(tǒng)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在國(guó)內(nèi)外各航海院校己經(jīng)基本得到
普及，為廣大船員提供了一個(gè)良好的訓(xùn)練環(huán)境，并且為港口航道安全論證提供
了一個(gè)初步模擬試驗(yàn)平臺(tái)。目前的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)通常以簡(jiǎn)單的駕駛設(shè)備
(包括車鐘、舵機(jī)、羅經(jīng)、錨纜操作等)作為駕駛操縱平臺(tái)，以圖形工作站作
為圖像信號(hào)產(chǎn)生器，輸出圖像到多臺(tái)投影儀，并投射在水平視角為40度到270
度范圍的平板或弧形屏幕上，通過拼接形成視景系統(tǒng)，共同組成一個(gè)模擬器系
統(tǒng)。這類系統(tǒng)普遍存在的問題是駕駛臺(tái)設(shè)備仿真度不高、視景視角范圍太小、
虛擬場(chǎng)景不真實(shí)、空間距離感不強(qiáng)等，船員普遍反應(yīng)與現(xiàn)實(shí)差距太遠(yuǎn)，特別是
針對(duì)一些專項(xiàng)訓(xùn)練與決策，如船舶靠離泊、海上搜救、船舶避碰、船員心理特
征研究等，目前的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)很難信任。
要滿足以上需求，首先必須建立一個(gè)真實(shí)的駕駛平臺(tái)，讓船員有身臨其境
的感覺，其次建設(shè)大視角(360度)全景虛擬環(huán)境可以解決視角范圍太小的問題，
最后利用立體影像技術(shù)建立虛擬現(xiàn)實(shí)中心(Virtual Reality Center)可以解決空
間距離感，沉浸感問題，消除想像空間與現(xiàn)實(shí)空間的距離，因此，在虛擬船舶
駕駛系統(tǒng)的研制與開發(fā)中，核心技術(shù)是駕駛臺(tái)設(shè)備的仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)中心的開
發(fā)。但是由于船舶駕駛臺(tái)設(shè)備功能復(fù)雜、專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且一般為國(guó)外進(jìn)
口設(shè)備，不易模擬，導(dǎo)致虛擬船舶駕駛系統(tǒng)的駕駛臺(tái)設(shè)備仿真度不高；另外對(duì)
于超過180度水平視角的弧形屏幕投影系統(tǒng)，由于光線的反射與散射的干繞，
很難建立基于立體影像技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)中心，也就是一直以來沒有立體全景的
虛擬船舶駕駛系統(tǒng)的根本原因
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，而提供一種基于新型仿真駕駛 臺(tái)和立體全景虛擬現(xiàn)實(shí)中心的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所涉及的基于立體全景的虛擬船舶駕駛系
統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由綜合船橋系統(tǒng)、視景可視化系統(tǒng)以及立體投影系統(tǒng)組成；所 述視景可視化系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)接收綜合船橋系統(tǒng)中的各種船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)值進(jìn)行 處理，模擬船舶在虛擬場(chǎng)景中的駕駛狀況，產(chǎn)生立體全景圖像并傳輸?shù)搅Ⅲw投 影系統(tǒng)。
所述視景可視化系統(tǒng)中復(fù)數(shù)個(gè)圖形工作站通過串行網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接，同時(shí)還 連接綜合船橋系統(tǒng)和立體投影系統(tǒng)。
所述圖形工作站中設(shè)有通過3D實(shí)景建模軟件工具產(chǎn)生場(chǎng)景模型，以3D引 擎為渲染工具實(shí)時(shí)渲染圖像，對(duì)渲染的圖像利用視差軸非對(duì)稱透視投影模塊產(chǎn) 生立體圖像對(duì)，并分別輸出到立體投影系統(tǒng)的立體全景圖像產(chǎn)生程序模塊。
所述的視差軸非對(duì)稱透視投影模塊為利用非對(duì)稱透視投影方法分別以左 右眼為軸線產(chǎn)生立體圖像對(duì)，使得左右眼的視場(chǎng)矢量保持平行，而且左右眼的 視錐體的投影平面重疊，避免垂直方向上視差的功能模塊。
所述的串行網(wǎng)絡(luò)為單向傳送的傳輸率達(dá)到2.5GB/s的InfiniBand網(wǎng)絡(luò)。
所述的立體投影系統(tǒng)由與圖形工作站系統(tǒng)連接的復(fù)數(shù)個(gè)投影儀和360°的 弧形投影幕組成，所述投影儀安裝在綜合船橋系統(tǒng)上方，與弧形投影幕在一同 心圓上，并往斜下方投射。
所述投影儀中嵌入有利用經(jīng)緯儀對(duì)屏幕空間位置進(jìn)行定位，并用激光束或 標(biāo)志物對(duì)位置進(jìn)行標(biāo)定，在屏幕上形成位置點(diǎn)陣，將投影儀投射的畸形圖像與 位置點(diǎn)陣進(jìn)行匹配，達(dá)到圖像的幾何校正，同時(shí)利用融合算法對(duì)投影儀重疊區(qū) 的圖像進(jìn)行亮度與顏色調(diào)整，使得顏色均衡，實(shí)現(xiàn)無縫拼接的圖象幾何校正與 融合模塊。
所述投影儀上安裝有使得投影儀產(chǎn)生立體影像的光譜分離芯片。 所述360。的弧形投影幕的屏幕增益為1.0。
本實(shí)用新型的方法簡(jiǎn)單、靈活、容易實(shí)現(xiàn)，本實(shí)用新型首次利用綜合船橋 系統(tǒng)為駕駛臺(tái)仿真平臺(tái)，提高了船舶操縱的仿真度，本實(shí)用新型提出的360度
立體全景虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)方案中，利用光譜分離技術(shù)與控制投影幕增益值來實(shí)現(xiàn) 立體影像投影，有效解決了立體投影光線相互干擾問題，通過立體影像技術(shù)效 解決了虛擬場(chǎng)景空間距離感、沉浸感問題，本實(shí)用新型采用的基于PC集群的 分布式仿真中，解決了超大型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中存在的程序統(tǒng)一、數(shù)據(jù)統(tǒng)一、時(shí) 序同步問題。


以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
來進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。 圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本實(shí)用新型的立體圖像成像原理圖。 圖3為本實(shí)用新型的綜合船橋系統(tǒng)仿真駕駛臺(tái)示意圖。 圖4為本實(shí)用新型的投影屏幕與投影儀安裝位置示意圖。 圖5為本實(shí)用新型安裝時(shí)屏幕空間定位的點(diǎn)陣圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白
了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。
圖l為本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)圖上可知，本實(shí)用新型主要為實(shí)
時(shí)分布式系統(tǒng)，采用基于PC集群結(jié)構(gòu)，主要由綜合船橋系統(tǒng)、視景可視化系統(tǒng) 以及立體投影系統(tǒng)組成；所述視景可視化系統(tǒng)將從綜合船橋系統(tǒng)中接收到的各 種船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)值進(jìn)行處理，產(chǎn)生立體全景圖像并傳輸?shù)搅Ⅲw投影系統(tǒng)上。該 系統(tǒng)中的視景可視化系統(tǒng)由12臺(tái)高性能圖形工作站1組成，每一個(gè)圖形工作站 1分別有一控制臺(tái)控制3，并對(duì)應(yīng)一臺(tái)投影儀4; 12臺(tái)高性能圖形工作站1通過 串行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(InfiniBand) 2實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，同時(shí)接收來自綜合船橋系統(tǒng)中的 各種船舶航行的模擬數(shù)據(jù)。InfiniBand網(wǎng)絡(luò)能夠保證了 12通道分布式系統(tǒng)的微 秒級(jí)同步，并且滿足了大數(shù)據(jù)量的傳輸，確保數(shù)據(jù)與圖像在邏輯上的統(tǒng)一性； 這里使用的串行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是指比傳統(tǒng)的以太網(wǎng)具有更快的網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，單向 傳送的傳輸率達(dá)到2.5GB/s。
圖2是本實(shí)用新型的立體圖像成像原理，高性能圖形工作站通過3D實(shí)景建 模軟件工具產(chǎn)生場(chǎng)景模型，以3D引擎為渲染工具實(shí)時(shí)渲染圖像，對(duì)渲染的圖像 利用視差軸非對(duì)稱透視投影方法產(chǎn)生更加舒適的立體圖像對(duì)，并分別輸出到投 影儀。所述的視差軸非對(duì)稱透視投影方法，利用非對(duì)稱透視投影方法分別以左 右眼為軸線產(chǎn)生立體圖像對(duì)，使得左右眼的視場(chǎng)矢量保持平行，而且左右眼的 視錐體的投影平面重疊，避免垂直方向上的視差。
圖3是本實(shí)用新型中的綜合船橋系統(tǒng)，其為一綜合船橋系統(tǒng)仿真駕駛臺(tái)， Ml面板包含羅經(jīng)復(fù)視器、隨動(dòng)操舵手輪、舵角放大器、操舵模式選擇開關(guān)、 雙模應(yīng)急舵柄、操舵裝置控制面板、雙車車鐘、艏側(cè)推器控制面板、尾側(cè)推器 控制面板、機(jī)艙操作系統(tǒng)、操控信號(hào)單元、操控控制桿、緊急停車按鈕、安保 系統(tǒng)內(nèi)部連接單元、廣播主控臺(tái)、呼叫主控臺(tái)、自動(dòng)電話、氣笛信號(hào)控制器、 報(bào)警蜂鳴器、舷窗擦拭器控制面板、軌跡球、氣笛按鈕、氣笛關(guān)閉按鈕、氣笛 莫爾斯信號(hào)鍵。M2面板包含綜合報(bào)警面板、CONNING顯示器、 TRACKPILOT/CONNING計(jì)算機(jī)、舵角表、主機(jī)啟動(dòng)空氣壓力表、主機(jī)轉(zhuǎn)速 表、值班報(bào)警面板、羅經(jīng)數(shù)字復(fù)視器亮度調(diào)節(jié)、駕駛臺(tái)上RAI亮度調(diào)節(jié)、磁羅 經(jīng)24V電源亮度、磁羅經(jīng)220V電源亮度以及轉(zhuǎn)速和啟動(dòng)空氣壓力燈亮度調(diào)節(jié)。 Pl面板X波段ARPA雷達(dá)。采用進(jìn)口的真實(shí)船用ARPA雷達(dá)顯示器，自制 雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生模擬信號(hào)。包含X波段雷達(dá)23"TFT顯示器、X波段雷達(dá) 電子單元、X波段雷達(dá)內(nèi)部連接盒、雷達(dá)和TRACKPILOT控制面板與自制模 擬雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器。Sl面板自制模擬S波段ARPA雷達(dá)。包含三波段雷達(dá) 21"TFT顯示器、S波段模擬雷達(dá)電子單元、S波段雷達(dá)內(nèi)部連接盒、與自制模 擬雷達(dá)鍵盤和TRACKPILOT控制面板。CP1左轉(zhuǎn)角面板包含DGPS顯示單 元、數(shù)字選擇開關(guān)、VHF收發(fā)信機(jī)、報(bào)警復(fù)位按鈕。CS1右轉(zhuǎn)角面板包含 駕駛臺(tái)報(bào)警面板、駕駛臺(tái)擴(kuò)展報(bào)警面板、值班報(bào)警面板、報(bào)警復(fù)位鍵。S2面 板包含模擬21"TFT電子海圖顯示器、電子海圖電子單元、ASCII鍵盤、PS/2 軌跡球。S3面板包含OWS 21" TFT顯示器(機(jī)艙自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng))、OWS鍵盤、 OWS軌跡球、機(jī)艙自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)工作站單元。P3面板錨、纜繩操作臺(tái)。P2 面板包含、羅經(jīng)操作單元、GMDSS報(bào)警單元、AIS顯示單元、面板按鈕、
航行燈控制面板、信號(hào)燈控制面板、聲力電話、二氧化碳煙霧探測(cè)復(fù)視器面板、
操舵裝置報(bào)警面板、舷窗擦拭器控制面板、火警控制/復(fù)視器面板、安保系統(tǒng)
測(cè)試按鈕、安保系統(tǒng)開關(guān)、貨艙燈控制面板、舷燈控制面板。該駕駛臺(tái)中的各
個(gè)單元利用串口分別采集其信號(hào)傳輸?shù)酱斑\(yùn)動(dòng)模型控制計(jì)算機(jī)中，該計(jì)算機(jī)
并數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c其連接的視景可視化系統(tǒng)中進(jìn)行處理。
圖4是本實(shí)用新型的立體投影系統(tǒng)中的投影屏幕與投影儀安裝位置示意圖，
柱形結(jié)構(gòu)為投影屏幕5，屏幕表面通過涂料層來控制光學(xué)增益，保持在1.0左右， 由于柱形結(jié)構(gòu)的中央為船舶仿真駕駛室6，因此投影儀8只能安裝在柱形結(jié)構(gòu)的 頂部與柱形體同心的圓上，投影儀保持往斜下方投影7在屏幕5上。光譜分離 技術(shù)對(duì)投影儀投射的立體圖像對(duì)分離，在投影儀里或外安裝具有光譜分離技術(shù) 的芯片，使得投影儀產(chǎn)生立體影像。
圖5是本實(shí)用新型安裝時(shí)屏幕空間定位的點(diǎn)陣圖，由于投影儀是往斜下方 投影，并且屏幕是弧形，因此圖像會(huì)發(fā)生畸變，需要幾何校正，本系統(tǒng)首先利 用經(jīng)緯儀對(duì)屏幕空間進(jìn)行定位，并用激光點(diǎn)對(duì)位置進(jìn)行標(biāo)記，形成圖5上的點(diǎn) 陣圖，然后投影儀輸出圖像，利用非線性幾何變形方法將輸出的圖像與點(diǎn)陣圖 進(jìn)行匹配，得到正常視景圖像，幾何校正后的圖像在投影儀之間存在重疊區(qū)， 利用圖像融合方法對(duì)重疊區(qū)的圖像融合，得到顏色上統(tǒng)一的圖像。
根據(jù)上述技術(shù)方案得到的本實(shí)用新型在運(yùn)行時(shí)，綜合船橋系統(tǒng)仿真駕駛臺(tái) 上的硬件模塊用于模擬船上各種傳感器，通過船舶運(yùn)動(dòng)模型控制計(jì)算機(jī)采集到 各種模擬傳感器信號(hào)，結(jié)合運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算得到 各種船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)值，包括船位、航向、航速、六自由度值等。同時(shí)視景可視 化系統(tǒng)中采用實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng)硬件模塊構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺(tái)，將仿真駕駛臺(tái) 硬件模塊產(chǎn)生的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接纱藰?gòu)成的虛擬現(xiàn)實(shí)系 統(tǒng)中，用于控制虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；并且在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中嵌入立 體全景圖像產(chǎn)生程序模塊，以便產(chǎn)生立體全景；然后將產(chǎn)生的立體全景圖像通 過視頻電纜輸送到立體投影裝置模塊，通過嵌入在立體投影裝置中的幾何校正 與融合模塊對(duì)投影中的圖像進(jìn)行變換，最后投射在環(huán)形屏幕上。
以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)
點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí) 施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神 和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入 要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書 及其等效物界定。
權(quán)利要求1、基于立體全景的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由綜合船橋系統(tǒng)、視景可視化系統(tǒng)以及立體投影系統(tǒng)組成；其特征在于，所述視景可視化系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)接收綜合船橋系統(tǒng)中的各種船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)值進(jìn)行處理，模擬船舶在虛擬場(chǎng)景中的駕駛狀況，產(chǎn)生立體全景圖像并傳輸?shù)搅Ⅲw投影系統(tǒng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于立體全景的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)，其特征在 于，所述視景可視化系統(tǒng)中復(fù)數(shù)個(gè)圖形工作站通過串行網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接，同時(shí)還 連接綜合船橋系統(tǒng)和立體投影系統(tǒng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于立體全景的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)，其特征在 于，所述圖形工作站中設(shè)有通過3D實(shí)景建模軟件工具產(chǎn)生場(chǎng)景模型，以3D引 擎為渲染工具實(shí)時(shí)渲染圖像，對(duì)渲染的圖像利用視差軸非對(duì)稱透視投影模塊產(chǎn) 生立體圖像對(duì)，并分別輸出到立體投影系統(tǒng)的立體全景圖像產(chǎn)生程序模塊。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于立體全景的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)，其特征在 于，所述的視差軸非對(duì)稱透視投影模塊為利用非對(duì)稱透視投影方法分別以左右 眼為軸線產(chǎn)生立體圖像對(duì)，使得左右眼的視場(chǎng)矢量保持平行，而且左右眼的視 錐體的投影平面重疊，避免垂直方向上視差的功能模塊。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于立體全景的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)，其特征在 于，所述的串行網(wǎng)絡(luò)為單向傳送的傳輸率達(dá)到2.5GB/s的InfiniBand網(wǎng)絡(luò)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于立體全景的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)，其特征在 于，所述的立體投影系統(tǒng)由與圖形工作站系統(tǒng)連接的復(fù)數(shù)個(gè)投影儀和360°的弧 形投影幕組成，所述投影儀安裝在綜合船橋系統(tǒng)上方，與弧形投影幕在一同心 圓上，并往斜下方投射。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于立體全景的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)，其特征在 于，所述投影儀中嵌入有利用經(jīng)緯儀對(duì)屏幕空間位置進(jìn)行定位，并用激光束或 標(biāo)志物對(duì)位置進(jìn)行標(biāo)定，在屏幕上形成位置點(diǎn)陣，將投影儀投射的畸形圖像與 位置點(diǎn)陣進(jìn)行匹配，達(dá)到圖像的幾何校正，同時(shí)利用融合算法對(duì)投影儀重疊區(qū) 的圖像進(jìn)行亮度與顏色調(diào)整，使得顏色均衡，實(shí)現(xiàn)無縫拼接的圖象幾何校正與 融合模塊。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于立體全景的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)，其特征在于，所述投影儀上安裝有使得投影儀產(chǎn)生立體影像的光譜分離芯片。
9、根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于立體全景的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)，其特征在于，所述360。的弧形投影幕的屏幕增益為1.0。
專利摘要本實(shí)用新型公開了基于立體全景的虛擬船舶駕駛系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由綜合船橋系統(tǒng)、視景可視化系統(tǒng)以及立體投影系統(tǒng)組成；所述視景可視化系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)接收綜合船橋系統(tǒng)中的各種船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)值進(jìn)行處理，模擬船舶在虛擬場(chǎng)景中的駕駛狀況，產(chǎn)生立體全景圖像并傳輸?shù)搅Ⅲw投影系統(tǒng)。本實(shí)用新型的方法簡(jiǎn)單、靈活、容易實(shí)現(xiàn)，首次利用綜合船橋系統(tǒng)為駕駛臺(tái)仿真平臺(tái)，提高了船舶操縱的仿真度。
文檔編號(hào)G09B9/06GK201210356SQ20082006054
公開日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月7日
發(fā)明者施朝健, 王勝正, 石永輝 申請(qǐng)人:上海海事大學(xué)