摘 要

近年来，船舶的虚拟现实越来越得到国内重视。船舶辅锅炉系统是船舶机舱重要组成部分，随着船舶机舱越来越走向自动化，由于教学、学术研究等的要求，对辅锅炉系统进行虚拟仿真十分必要；通过对辅锅炉控制箱的建模，可以在虚拟的辅锅炉系统上实现虚拟拆装和虚拟教学等诸多功能，节省教学、购买等成本，且可以让使用者者不受时间和空间的限制，主要内容如下：

1. 介绍各建模软件并叙述优缺点，着重对3DS MAX进行介绍，再对虚拟现实技术进行详细的论述。
2. 运用建模软件3DS MAX对辅锅炉控制进行建模，对辅锅炉重要部件进行简要建模，并实现指示灯、按钮、旋钮等部件的可控，与现有辅锅炉系统进行对比，完成材质的渲染。
3. 了解辅锅炉的起动控制和故障处理时序，通过3DS MAX在已完成的辅锅炉控制箱模型上以动画的形式展现出来。

关键词：虚拟现实；辅锅炉控制箱；三维建模；动画；3ds max

Abstract

In recent years, the virtual reality of ships has received more and more attention in China. The system of ship auxiliary boiler is an important component of the ship's engine room, as the engine room becomes more and more automated,due to the requirements of teaching, academic research, etc.it is necessary to perform virtual simulation of the system of auxiliary boiler.Through the modeling of the control box of auxiliary boiler, various functions such as virtual assembly and disassembly and virtual teaching can be realized on the virtual auxiliary boiler system.Save on teaching, purchasing, etc，and can make users free from time and space constraints. the system of auxiliary boiler system Used in academic fields. The main contents are as follows:

(1) Introduce the modeling software and describe the advantages and disadvantages, focusing on the introduction of 3DS MAX, and then discuss the virtual reality technology in detail.

(2) Using modeling software 3DS MAX to model the auxiliary boiler control, briefly modeling the important components of the auxiliary boiler, and realizing the controllability of the indicators, buttons, knobs and other components, and comparing with the existing auxiliary boiler system. Finish the rendering of the material.

(3) Understand the timing of start-up control and fault handling of the auxiliary boiler, and use 3DS MAX to display the animation on the completed auxiliary boiler control box model.

Key words:Virtual reality; The control box of Auxiliary boiler；3D modeling; Animation; 3ds max

目录

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

第1章 绪论 1

1.1研究的背景及研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3基本内容 2

1.4目标 3

1.5拟采用的技术方案及措施 3

1.6 本章小结 4

第二章 三维建模常用软件及虚拟教学技术 5

2.1 常见三维建模软件及优缺点分析 5

2.1.1 Auto CAD 5

2.1.2 Softimage|XSI 5

2.1.3 Rhino 5

2.2 3DS MAX软件介绍 6

2.3 3DS MAX动画介绍 7

2.4 虚拟教学技术 8

2.5 本章小结 9

第三章 基于3DS MAX的船舶辅锅炉控制箱3D建模 10

3.1建模对象及相关认识 10

3.2 船舶辅锅炉控制箱建模 10

3.3 船舶辅锅炉重要部件建模 14

3.4 渲染材质及灯光参数的设定 20

3.4.1 渲染材质 20

3.4.2 灯光参数设定 23

3.5 本章小结 24

第四章 辅锅炉起动及故障处理动画制作 25

4.1 辅锅炉起动控制和故障处理时序 25

4.2 动画的制作 25

4.3 本章小结 27

第五章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 28

5.3 本章小结 29

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪论

本次毕业设计的主要目的是通过使用3ds MAX2015软件，对船舶辅锅炉控制箱及辅锅炉重要部件建立三维立体模型，控制箱上所有的按钮、指示灯、旋钮等部件建立独立的三维模型，实现各个主要部件的可控，对其进行材质的渲染及相关的动画制作，再与课题组其他成员的多个主要船舶辅机设备组合在一起，从而实现多种交互方式的虚拟漫游、虚拟教学等。

1.1研究的背景及研究意义

21世纪以来，虚拟现实技术随着计算机技术的高速发展将作为一种先进的技术手段广泛的融入各方各面。虚拟现实技术其原理是通过计算机进行建模与仿真来制作一个三维空间的虚拟平台，使之与最先进的传感器技术相结合，使我们能够凭借体感等来感知虚拟环境，通过手势等动作来对虚拟的环境进行控制，逐步用计算机“适应”人来取代人“适应”计算机。^[3]

如今，3D技术已经广泛渗透到了航空航天，虚拟教学等重要领域，更是被纳入了船舶设计与制造中，把船舶的设计制造水平提升到了一个崭新的高度。船舶机舱，有庞大的船舶主柴油机、发电柴油机、辅锅炉等主机和辅机设备以及复杂的管、泵系等，投资大,占地面积大,运行稳定性差,故障率高,可扩展性能差,可维护性差,二次开发困难等缺点。因此，要在一个真实的机舱里面对各个设备进行学习和设计制造是不可取的，而通过3D建模，把船舶机舱内各个设备以三维立体图形表示出来，通过这种形式，可以整个机舱很直观的显示在计算机上。之后，还可以通过虚拟显示技术生成三维虚拟世界，通过人机接口，实现用户与虚拟环境间的交互，让使用者可以实时自由的观察到模拟机舱，从可以快速达到设计，制造和教学的目的。船舶辅锅炉系统的操作与管理是轮机工程专业学员一项重要的学习内容,也是无限航区三管轮实操评估的必考项目之一。^[13]而对于采用实体辅锅炉系统进行训练存在很多缺点:首先,实际锅炉系统属于有着潜在高度危险的压力设备,存在安全隐患,每年都要经主管部门进行年检;其次,实际锅炉系统的建造、运行、停用维修保养费用比较高;再次,实际锅炉系统运行时的排烟导致空气污染，造成环境问题。而通过3D建模，可以有效的解决这些问题。^[4]

1.2 国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外，对航海领域的计算机仿真研究始于20世纪60年代末。20世纪90年代以来，随着计算机技术的发展，航海领域的计算机仿真有了很大的进步。

挪威的NORCON公司生产的轮机模拟器系列、种类齐全，在技术上居于世界领先地位，但也有不足，如其仿真的母船型号偏旧。挪威还有KMSS公司生产的PPT2000系列轮机模拟器。^[2]

英国Transas生产的轮机模拟器有三个范例，即ERS2000、ERS3000和ERSSolo型轮机模拟器。^[2]

德国STN Atlas Elektronik公司生产的SES4000系列轮机模拟器，优点就是可以作为整船操作模拟器的一部分。^[19]

1.2.2国内研究现状

国内开展轮机系统虚拟仿真的主要有：

武汉理工大学的虚拟仿真实验，实验对象包括多个主要船舶辅机设备。借助先进的虚拟现实技术，实现了多种交互方式的虚拟拆装。^[18]包括：基于Web的在线直接交互、基于先进的可穿戴式设备交互（微软HOLOLENS增强现实眼镜、HTC VIVE头戴式显示系统）、基于智能移动终端的APP应用等。解决了传统实体拆装实验教学中难以克服的困难，提高了学生实践操作能力、提升了实验教学效果。

大连海事大学的轮机操作虚拟仿真实验教学项目，用于轮机工程专业课程的实操训练，以超大型油轮为母型，建立广域网的大型二维、三维与虚拟轮机仿真系统，实现了多人协作、虚拟拆装和自动化考评。通过本软件的使用可使学生掌握船舶轮机系统与设备的操作使用、故障分析与应急处理，为船上工作奠定坚实的基础。^[13]

集美大学的船舶轮机设备及系统操作管理虚拟仿真实验。

江苏科技大学的船舶轮机系统虚拟仿真实验，任意切换的逼真场景、即点即得的专业知识，在交互式体验中增强对船舶机舱复杂工程系统的感性认知，有效提升学生工程实践能力。

浙江海洋大学的大型船舶主机备车，“大型船舶主机备车”示范性虚拟仿真实验教学项目依托大型船舶动力装置虚拟仿真平台，该平台是基于3D建模、三维场景加载、工作过程数学等技术的纯软件实验平台。

1.3基本内容

主要针对船舶辅锅炉控制箱运用3dsmax进行3D建模，并对辅锅炉进行简要建模，船舶辅锅炉型号为立式燃油辅锅炉L8KO.15-0.5型，控制箱长：89.7cm，宽：70cm，高：22cm，有电源等显示灯，启动、停止等按钮以及燃油转换等旋钮，进行材质的渲染及动画的制作，控制箱图片如下：

1.4目标

按比例为1比1进行建模，并且实现控制箱上各个按钮、旋钮以及指示灯光的可控，后期还可通过动画制作对辅锅炉的起动与故障处理进行演示，同时对一些辅锅炉重要部件进行建模，使创建出来的辅锅炉控制箱可以达到用来教学以及设计制造的目的。

1.5拟采用的技术方案及措施

运用3ds max2015对船舶辅锅炉控制箱进行建模，3dsmax是一款基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，具有性价比高、使用者多、便于交流，可以使整个建模团队团结合作，更有效率。入门容易，可以让初学者快速掌握，以便及时有效的完成三维建模。三维建模遵循先大部件后小部件的原则。先把控制箱整个轮廓画出来，再在上面进行按钮、旋钮、指示灯等的建模工作，对于一些相同的结构，可直接进行复制，为了使之后的动画更具有生动表现性，对辅锅炉的一些重要部件如水位计、压力表、水泵等进行简化建模；最后再对整个控制箱进行材质的渲染及动画的制作，动画制作完成后，使辅锅炉控制箱产生动作时，辅锅炉的简化模型也会有相应的动作。

1.6 本章小结

本章绪论对这篇论文做了整体设计，包括研究背景及研究意义、国内外研究现状，然后是简要介绍了本次的建模对象——辅锅炉控制箱，再是运用3DS MAX软件对辅锅炉控制箱进行建模和动画制作的过程中拟采用的技术方案。

第二章 三维建模常用软件及虚拟教学技术

2.1 常见三维建模软件及优缺点分析

2.1.1 Auto CAD

美国的Autodesk公司首次于1982年开发的一款建模软件，广泛应用于制图、设计、航空航天等多种领域，在全世界得到了广泛应用。

他的优点在于具有完善的图形绘制、编辑功能，可以进行多种文件格式的输出与转换，作图精度高，Auto CAD具有极为简便的用户操作界面，其简易的操作系统可以让初学者很快掌握并对其进行有效的运用，从而大大的提高了团队的工作效率。

但是Auto CAD的缺点也显而易见，由于其开发时间早，其主要功能在于2维建模，专注于工程和工业作图，而只能进行简单的3D建模，对于复杂的3D图建模及其渲染、动画的制作是有所欠缺的。

2.1.2 Softimage|XSI

Softimage|XSI是AVID公司于1999年底推出了全新的一款三维动画软件，而后被AutoDesk公司收购，并以其独特的非线性动画和mental ray超级渲染器而闻名，曾长时间垄断好莱坞电影的特效制作，是世界最著名的三维建模软件之一，其前身为十分著名的Softimage 3D。Softimage|XSI专注于细分建模，其ICE的构架无人能及。

但是正是因为其功能的强大，所以对于初学者来说，其掌握难度相比较于3DS MAX等入门软件来说是有点大的，其细分建模虽然强大，但是NURBS和网格建模却不如MAYA和3DS MAX。

2.1.3 Rhino

Rhino，中文名称犀牛，是美国Robert McNeel amp; Assoc开发一款超强的三维建模工具。^[17]他广泛应用于制造和设计等多种领域，能输出多种文件格式，能与多种3D建模软件适配，可以提高团队的整体工作效率。Rhino是一款运用NURBS的曲线，包含了几乎所有的NURBS功能，能够制造极其复杂的3D NURBS模型。^[5]

虽然这是一款十分强大的3D建模软件，但是对于材质等的渲染却并不是他的专长，因此他必须与其他软件如3DS MAX、Softimage、MAYA等具有较强的渲染功能的3D建模软件相结合才能展示其作用。

2.2 3DS MAX软件介绍

3DS MAX，其全称为3D Studio Max,是AutoDesk公司开发的一款集3维建模、3维动画渲染与制作于一身的高性价比软件。其界面由工具栏、菜单栏、标题栏、命令面板、绘图区域、视图控制区、动画控制区组成。3DS MAX在游戏、影视、工业的设计与制造都得到了广泛的应用，例如在游戏中，3DS MAX参与了古墓丽影、虚拟人生和辐射3等极为著名的PC单机游戏；在影视中，《疯狂约会美丽都》完全使用3DS MAX制作，并因此获得两项奥斯卡提名，美剧《迷失》中使用MAX制作了815航班的坠毁。现如今，3DS MAX也逐渐运用到了船舶的设计与制作，为船舶的未来提供了更广阔的发展前景。

3DS MAX具有十分高的性能价格比，他是基于PC的低配置而开发的，并不需要十分高的硬件配置，一般电脑只要有2GB的RAM储存空间和一定的可用硬盘空间即可使用3DS MAX的大部分功能；其次，3DS MAX虽然功能较为强大，但对于初学者来说，其简易的布局与操作界面是非常容易上手的，其操作也十分的简便，因此可以大大提高工作效率；最后，目前国内使用3DS MAX的人数居多，有着十分多的教程可供学习，更有助于互相交流，共同进步，对于一些自己无法解决的难题和疑问，也可以通过3DS MAX贴吧等交流方式来得到有效解决；3DS MAX对于3D建模、动画渲染与制作、材质渲染等功能都有涉及并且各部分功能都较为强大，这就免去了诸如Rhino与其他建模软件相结合的不便。在未来，3DS MAX将整合其他3D建模软件的优点，朝更加先进化发展，走向3D建模的领先地位。3DS MAX相比于其他3D建模软件更侧重于多边形建模，这正好适应于船舶的设计与制造。

2.3 3DS MAX动画介绍

3D动画别称三维动画，三维动画区别于二维动画，三维动画是立体的，即其制作过程中有X、Y、Z三轴，而二维动画只有X、Y轴。因此，比较于二维动画，三维动画更能生动形象的把所要表现的画面以三维立体的形式演示出来，给人以身临其境的感觉。3D动画技术如今已经在影视特效、娱乐等方面得到了广泛的应用，在影视方面，许多爆炸特效都是通过三维动画软件制造出来的；在娱乐，大部分3D游戏里面的场景动画也都是三维动画，三维动画以其以假乱真的画面逐渐进入了人们的视野并得到了极大的推广。

三维动画工具有Maya、3DS MAX、Lightwave 3D等，本次建模采用的是3DS MAX，其简略单纯的操作界面能使初学者更快掌握动画制作技巧，也是国内3D建模入门必须掌握的一款软件。在3DS MAX视图区域下面有一个帧数条，通过设置关键帧的方法可以非常便捷的记录物体的运动状态；通过右下角处时间设置可以调节帧速率和时间显示等，从而使呈现出所需求的动画；通过选中对象再鼠标右键即可在物体的运动曲线编辑器里进行物体的运动轨迹编辑。

3DS MAX的动画制作功能较为简便，但是也存在着一些缺点：一旦所建的3D模型较为复杂，如模型里面有数个灯光及摄像头等较为复杂的控制部件，在动画的制作工程中，其关键帧条栏的移动会变得较卡顿，在视图里面观察所制作的动画也变得极为不便；其次就是动画的渲染设置了，其初始画面的输出大小一般为640*480，所渲染的画面非常不清晰，而一旦增加其输出大小，其画面虽然会变清晰，但是其渲染速度也变慢了，在渲染器里面多设置一些参数如阴影等，也会使渲染速度变慢。因此，虽然3DS MAX在基础的图形建模方面对PC的配置是较低的，但是如果增加动画制作，其对PC的配置就会变高了，这就要求电脑具有极高的3D图形处理能力。

综合来说，3DS MAX有着强大的基础建模能力和较强的3D动画制作能力，虽然在动画制作方面有其缺陷，但在未来，其一定会吸收其他软件的优点来弥补自己的缺陷，最关键的还是其与其他3D建模软件而言在操作方面极为简便，因此不管是建模还是动画制作对于初学者而言都是较为容易掌握的。

2.4 虚拟教学技术

虚拟教学技术是虚拟现实技术的一种应用，通过计算机及其相关设备，把所要教学的内容与动画结合在一起，实现人机交互，增加其互动性和真实性，让使用者可以通过计算机来获得一种逼真的现场教学环境。虚拟教学技术作为一种新兴技术优化了以往老师与学生定点定时面对面教学的模式，它打破了时间和空间的限制，学生只需一台设备，即可观看虚拟教学视频，极大的培养了学生的”自主学习“环境，增强了学生对学习的乐趣，也促进了教学与大信息环境的融合。虚拟教学广泛应用于各种教学领域，如教育业、工业、制造业等的教学，船舶的操作和保养也逐渐引入了虚拟教学。

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