摘 要

目前常用的船舶模拟驾驶训练方法是通过模拟船舶航行环境来训练船员，其人力物力的投入巨大。为此论文提出对船舶航行虚拟现实仿真系统的研究，以船舶航行性能为基础建立船舶航行的模拟仿真算法，同时构筑船舶航行的虚拟现实环境，提供虚拟环境中船舶的用户交互操作，研究不同的天气系统对船舶航行的性能影响，同时通过虚拟现实动态呈现船舶航行状况，为船舶航行的学员提供一种直观且设备相对简单的船舶模拟航行训练方法，提高船员对船舶安全事故的预知能力，为船舶航行安全奠定良好基础。

论文的主要工作是在收集船舶航行性能、气象数据和虚拟现实开发的基础上，对船舶虚拟航行的仿真物理模型进行分析研究，建立船舶航行虚拟现实仿真系统。

关键词：虚拟现实，船舶航行，Unity3D

ABSTRACT

The ship driving simulator is the most commonly used in training the crews by simulating the ship navigation environment. However, it requires a great deal of effort and cost a lot of money. Thus thesis provides a research about virtual reality simulation system of ships navigation. The thesis research the simulation algorithm of ship navigation which is based on the property of ships navigation, and build the virtual reality environment of ships navigation. The virtual reality environment of ships navigation provides the interaction between user and the ships in the virtual reality. The virtual reality simulation system also research the influence of different weather, and preview the property of ships navigation, which is a simple training method to train the crews without the complicated ship driving simulator. And this virtual reality can improve the crews’ anticipation of danger in sailing, which establishes a good foundation for the ships navigation.

Based on the datum of the property of ships navigation and the development of virtual reality, the thesis provides a research about the physical simulation model of ships navigation and build the virtual reality simulation system of ships navigation.

Key words: virtual reality, ship navigation, Unity3D

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文的研究背景及意义 1

1.1.1 问题的提出 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 虚拟现实仿真技术的概述 1

1.2.1 虚拟现实仿真技术 1

1.2.2 国内外研究现状 2

1.3 论文研究目的与主要研究内容 2

1.3.1 论文研究目的 2

1.3.2 论文主要研究内容 3

第2章 系统总体设计 4

2.1 虚拟现实仿真系统设计方案 4

2.1.1 虚拟现实仿真系统开发的一般流程 4

2.1.2 论文采取的设计方案 5

2.2 虚拟现实仿真系统的开发环境 5

2.2.1 虚拟现实系统开发软件 5

2.2.2 Unity3D概述 6

2.3 本章小结 6

第3章 船舶物理模型建立 7

3.1 船舶航行性能 7

3.1.1 浮性 7

3.1.2 稳性 7

3.1.3 耐波性 7

3.2 影响船舶性能的因素 9

3.2.1 装载对船舶浮性的影响 9

3.2.2 风浪流对船舶稳性的影响 10

3.3 船舶航行仿真算法 10

3.3.1 船舶模型搭建 10

3.3.2 船舶运动仿真算法 13

3.3.3 船舶三自由度运动仿真算法 14

3.4 本章小结 15

第4章 虚拟现实场景搭建 16

4.1 虚拟现实场景 16

4.1.1 虚拟现实场景搭建 16

4.1.2 气象系统搭建 19

4.2 交互界面 22

4.2.1 镜头 22

4.2.2 射线选取物体 22

4.3 本章小结 24

第5章 总结和展望 25

5.1 总结 25

5.2 后续研究工作的展望 26

参考文献 27

附录A 部分程序代码 29

附录A1 VRCamera脚本代码 29

附录A2 Ship脚本代码 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景及意义

1.1.1 问题的提出

船舶在国防安全、国民经济和海洋研究开发中都占据着重要的位置。由于现代船舶的吨位增大，航行速度提高，以及其导航和通讯设备的日益复杂，因此对船长和船员的船舶航行培训工作提出了更高的要求。

船舶驾驶模拟训练是一个通过模拟设备模拟船舶与航行环境的船舶航行训练平台。船舶模拟驾驶训练通过模拟设备来代替实体船舶，以及模拟船舶航行环境，其人力物力的投入巨大。

而虚拟现实作为一门新生的仿真技术，如果可以结合到船舶航行安全领域，模拟船舶航行的虚拟现实，则可以省去庞大的航行训练模拟设备，同时也可以提高船舶航行学员的驾驶技术以及安全意识，为船舶安全航行提供良好的基础。

1.1.2 研究意义

论文研究的目的在于对船舶航行进行虚拟现实仿真系统的研究与设计，以虚拟现实开发软件所设计的虚拟环境为基础，研究船舶在不同天气系统下和不同航行环境下的航行情况，同时通过交互界面对用户所操控的船舶实行动态监控。提高船员对船舶航行安全性的预知能力，同时虚拟现实对船舶航行环境的逼真还原能有效反映船舶航行性能的变化，提高船员对船舶航行安全的认知能力，从而为船舶安全航行奠定良好的基础。

1.2 虚拟现实仿真技术的概述

1.2.1 虚拟现实仿真技术

在上世纪末，虚拟现实技术起源于美国的军事研究。如今，虚拟现实技术已经从综合性的信息技术发展成为结合多媒体技术、计算机图形学以及仿真技术等多种技术的计算机技术。虚拟现实通过模拟真实世界的环境，可以使用户得到视觉和听觉的模拟体验，在逼真的计算机图形环境中进行感知和互动。

虚拟现实仿真技术的主要技术包括环境模拟、传感器设备、自然技能和感知技术等。其中，环境模拟是根据计算机生成的三维图形对场景进行实时动态模拟。自然技能则是指人体的动作，如头部的转动、行走、手势动作等。虚拟现实仿真系统应该对用户的自然技能进行捕捉并输入到计算机当中进行处理，最后反馈给用户。感知指人所具有的一切生物感知，包括视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等。理想的虚拟现实仿真系统应该具备人所具有的一切感知功能，这一性质称为虚拟现实仿真技术的多感知性。

1.2.2 国内外研究现状

21世纪，随着软件开发技术的高速发展，虚拟现实技术也开始进入了高速发展的时期。国内外涌现了许多虚拟现实开发公司和虚拟现实研发团队。目前，一些具有代表性的虚拟现实系统开发软件也随之不断地发展和完善，如OpenSceneGraph，Virtools以及MultiGen Vega等。