[發明專利]一種基于GPU的動力定位船舶三維視景仿真系統及方法

有效

• 申請號: 201810020668.0
• 申請日: 2018-01-10
• 公開（公告）號: CN108109202B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 吳德烽;李忠坡;顧佳棟;趙珂;張朕;元軻新;林洪貴
• 申請（專利權）人: 集美大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T15/00
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊;丘鴻超

本發明涉及一種基于GPU的動力定位船舶三維視景仿真系統及方法。采用3D MAX建立動力定位船舶行駛環境的三維實體模型，如：動力定位船舶、海洋平臺、燈塔，其他船舶等；采用Multigen Crertor建立風、浪、流以及晴天、雨天、陰天等海洋場景的建模；通過三維仿真引擎Vega Prime進行仿真渲染，在GPU上進行渲染加速處理，采用C#語言實現場景驅動；最終實現了船舶動力定位模擬器視景仿真系統中所需要的真實場景的仿真。

技術領域

本發明屬于船舶自動化與三維視景仿真交叉領域，具體涉及一種基于GPU的動力定位船舶三維視景仿真系統及方法。

背景技術

傳統錨泊定位方式已經不能滿足現代海洋裝備作業的需求，動力定位系統（Dynamic Positioning System ,DPS）應運而生，具有適應能力強，不受水深限制、定位準確、操作方便等優點，已廣泛應用在海洋半潛船鉆井平臺、海上作業船舶、水下潛器等各種海洋工程裝備上。

隨著動力定位船舶的數量激增，經過專業培訓的動力定位操作員必不可少。培訓一名合格的動力定位操作員需要完善的培訓設備，動力定位模擬器就是培訓動力定位操作員的主要設備。在一套船舶動力定位模擬器系統中，三維視景顯示占據著重要的地位。

三維視景顯示的最終效果決定著動力定位模擬器的沉浸感、交互性、構想性，影響著動力定位培訓的效果。三維視景仿真技術是在數值仿真的基礎上，結合了計算機技術，圖形處理技術，光學技術，控制技術等多種高科技，對現實世界或者是人類想象的虛擬世界進行三維建模并實時驅動，通過顯示器或者三維投影技術顯示出來。

學員通過動力定位模擬器，不僅可以在不操作實船設備的前提下進行反復練習，還可以模擬實現實船中不允許或在極端條件下才發生的各種臨界操作、故障排查等功能，提高學員的相關操作水平和臨場應變能力。因此，構造仿真對象的三維模型并再現真實的環境，達到非常逼真的仿真效果，對于船舶動力定位模擬器具有重要的意義。所以設計一種合理高效的船舶動力定位模擬器三維視景仿真方法具有重要的意義。

在現有的三維視景可視化方法中，專利CN 104090497B用于海洋工程領域的動力定位系統仿真系統及其工作方法所述的仿真系統包括虛擬仿真平臺、顯控臺、數字仿真平臺和數字投影裝置。虛擬仿真平臺通過Vega程序設計運行三維海洋虛擬仿真環境場景，其中仿真環境場景利用Creator軟件建立三維虛擬模型，采用三維動畫和歷時曲線形式完成三維視景的可視化。

現有技術只是采用單一的Creator三維建模軟件進行模型的建立，建模效果有一定局限性，對于三維海洋場景采用Vega進行仿真，執行效率較低，功能不夠強大，界面和平臺兼容性有待提高。利用這種方法進行仿真沒有從整體上來考慮，于是在物理上很難反映出一個復雜系統的多場景的任務仿真，同時也無法實現視覺上的真實感，會影響給人以虛擬環境的真實感與實時性，使得船舶動力定位模擬器的培訓效果大大降低。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于GPU的動力定位船舶三維視景仿真系統及方法，可以彌補現有三維視景仿真方法的不足，實現了基于物理行為仿真的高度逼真且更具實時性的場景環境的建立，且使得視景仿真更具交互性。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種基于GPU的動力定位船舶三維視景仿真系統，包括數據庫模塊、海洋平臺及船舶建模模塊、動力定位傳感器處理信息模塊、運動控制模塊、實體與海洋場景仿真模塊、GPU加速渲染模塊、C#后臺調用與驅動模塊、動力定位效果顯示模塊；

所述數據庫模塊，通過相關設計圖紙和實地物體測量的數據獲得實物包括外觀、幾何形狀的數據，對采集到的數據信息進行轉換、整理和存儲；

所述海洋平臺及船舶建模模塊，根據動力定位船舶行駛環境的需要，采用3D MAX軟件按照三維建模的方法，構造出包括本船，目標船，海洋平臺，燈塔的環境所需多樣化的參照物模型；而后，采用三維建模軟件Multigen Crertor構造包括近海岸、風、浪、流以及晴天、雨天、陰天的海洋場景模型；