基于VR技术的船舶舱室方案设计新体验

邹燕歆 周泽麟 傅卓琳 张红伟 徐 晶

（江南造船（集团）有限责任公司 上海201913）

0 引 言

目前我国船舶工业已基本实现从船舶方案论证到生产设计全面采用数字化的目标，形成了全船在船、机、电、舾和内装五大专业的全三维设计能力，提供制造所需要的几何信息和加工信息，指导生产建造与管理，缩减设计周期。但在整个船舶设计建造过程中发现，因方案设计修改而导致的生产建造返工情况屡见不鲜，特别是在现今船东要求基于安全、经济、效率以及注重以人为本的船舶舒适性诉求方面，船舶舱室方案的更迭愈发频繁。

传统的船舶舱室设计是以迭代的设计方式进行的，其前期基于合同的要求及船东的意见进行图纸设计，船东依据设计出的图纸及相关规范提出初步意见；而在建造后期评审过程中，仍会进一步提出修改要求，从而可能导致设计周期大幅延长，增加改单量，造成设计建造成本的升高。为此，如何能在舱室设计过程中将用户提出的需求和方案进行预演，同时利用新科技把空间体验融入设计建造中，从源头上减少设计更改、提升设计效率、增强用户体验，是当前亟待解决的问题。［1］

1 船舶VR舱室方案设计应用实践

1.1 船舶VR舱室方案设计的提出

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一项利用计算机建立模拟环境，以VR头盔为典型输出设备，构建具有三维高度沉浸感虚拟世界的技术［2］。现今，VR技术已越来越广泛地运用于各领域。在船舶领域中，因VR技术具备高度的沉浸性和交互性，在设备运维、应急消防、舱室居住体验等与人机工程和人因工程相关领域中均有应用前景。

目前，液化气船是江南造船承接的主力船型，其居住空间较小，用户对舱室舒适度要求高。为设计建造更为舒适的船舶舱室，减少船东后期意见并提高交付效率，项目组选取某型液化气船舱室进行VR方案设计。

1.2 业务逻辑

VR交互漫游在船舶舱室设计中的应用实践将从源头改变其方案评审模式，用VR评审替代原有的三维建模评审，提出相关设计意见，整体流程如图1所示。

图1 VR综合评审流程

下文将从3个方面阐述船舶VR舱室方案设计及其应用效果。

1.3 环境构建

船舶舱室VR环境构建是基于三维模型，结合VR技术，在不降低模型画质的条件下，使三维场景的刷新速度和用户视点变化的速度保持一致，实时生成虚拟场景。另外，为避免出现掉帧造成VR眩晕，还需对船舶舱室VR环境中使用的三维模型及场景进行轻量化处理。

（1）模型环境构建

选取的舱室模型为船舶生产设计模型，采用1 : 1比例构建，保证了数据源的唯一性。船舶生产设计模型主要以b-rep方式构建，需要将其转化为VR所需的网格模型；此外，为尽可能降低模型面数以提高VR显示帧率，需使用去孔、重镶嵌等多种网格拓扑优化功能。待模型处理完成后，应从软件中将场景模型以后缀名为.FBX的格式输出，导入VR开发平台中，根据母型船或船东前期要求对模型材质进行敷设，敷设过程如图2所示。

图2 FBX模型导入虚拟现实开发平台

（2）光环境设置

为构建与真实情况一样的光环境效果，同时减轻VR渲染压力，需要对模型进行光照贴图。首先根据设计方案布置光源，设置光强、色温、饱和度以及反弹次数等参数值，对环境信息进行预计算并生成贴图，检查是否达到所需的光效要求。

1.4 功能开发与实现

在业务初期阶段，梳理用户需求，同时对各业务需求中所需的功能进行开发。

1.4.1 需求分析

（1）制定多种内装色彩方案

在船舶建造过程中，船东通常需要设计人员为其提供多种风格的不同舱室色彩方案供其选择。在传统的船舶舱室设计方式中，船厂一般会通过搭建实体样舱或提供静态效果渲染图供船东评审。但由于样板舱的搭建成本高，重用性低，而静态效果渲染图无法使船东基于真实体验提出准确意见，故需要引入VR技术以提供足够逼真的舱室环境效果，使船东在VR环境中对舱室中各类软装材质进行全方位的观察，配合实际灯光以快速确定色彩方案。

（2）空间布局方案

在有限的舱室环境中，船东对于软装家具等物品的空间布局需要设计人员结合其喜好及需求来确定。为使船东在设计阶段尽早确定符合其生活、工作需求的软装布置环境，需要应用中具备各类布局方案快速切换功能，以供船东选择。

（3）舱室环境交互

在传统舱室设计中难以充分考虑环境交互的友好性，如需要对边角位置等一些狭小区域的物体考虑抓取移动的便利性，又如门窗是否可正常开合。上述情境无法在普通三维设计的静态环境中进行判断，以致后期此类问题形成的改单较多，而VR环境中具备动态交互的功能可满足上述需求。

1.4.2 功能开发

为舱室方案设计提供更真实的体验，项目组选择手势识别作为交互的方式，其中设备选取了目前领域较为领先的手势控制器（Leap Motion），此设备是基于双目摄像头追踪手指关节以进行手势识别的，不同的手势可通过开发实现不同功能的触发，本应用中主要交互功能均将基于此开发实现。整个开发使用C#为主要开发语言。

基于分析出的运用需求，项目组开发了如下功能：

（1）角色移动

人机交互的重要方式之一是通过动态手势实现非接触式的交互及控制。为了让场景中的物体在VR环境下可自由交互，在工程环境中导入Leap Motion开发插件，在此技术上进行相应的二次开发，具体如下：在场景中设置一个角色控制器，对控制器始终添加向下重力作用，编写一个方法控制角色移动，同时对手指进行设置，规定相应的固定手势代表前进和后退。在此基础上，创建一个方法判断控制器是否接触到碰撞体，当角色控制器碰到碰撞体，则停止移动，未碰撞则继续执行当前动作。用户佩戴VR显示终端，通过Leap Motion识别器识别规定的移动手势，如图3所示，即可触发所开发的移动功能代码，驱动角色在场景中移动。

图3 VR环境中Leap Motion双手模型

（2）材质切换

为使船东在设计前期尽早确定软装材质并形成订购清单，需要在VR环境中添加材质切换功能。功能开发流程如下：首先对不同类型家具设置不同UI层级，将待更换材质的家具归类到对应层级；其次，编写材质切换方法，通过获取手势触碰到的物体层级属性，利用循环遍历层级内所有模型，再设定通过UI按钮触发材质切换。实现代码如图4所示。

图4 数组循环遍历

（3）开关门交互

为对所设计柜门、房门和窗户等开合类家装能否正常打开进行预判，需开发相应交互功能，流程如下：首先在柜子模型的基础上设置碰撞体，创建SetTarget（）方法获取目标碰撞体，如图5所示；其次，对模型设置刚体，并设定其旋转惯量、质量以及阻尼系数等物理属性，确保与实际环境足够接近，并对柜门进行铰链设置，以使柜门始终沿着某一轴转动；最后，在此基础上设置交互代码，通过手势识别出抓取动作，并通过关联手与门的位置实现开关门窗交互，以检查各类型门开合的状态是否良好。

图5 方法创建

（4）开关灯交互

为有效判断不同开关灯按钮位置的布置设计是否合理，项目组进行了开关灯交互功能开发，开发逻辑如下：在开关灯转换器上设置新按钮，对其进行碰撞体设置；使用SetActive（）方法控制灯光开关，通过手与开关的碰撞检测触发灯光开闭。

（5）物体抓取

为使用户在VR环境中对物体进行体验式交互，特对此进行相应的功能开发，开发流程如下：对所需交互的物体设置碰撞体，当用户与物体接触碰撞，使用WaitForSeconds（）方法在接触后的规定时间内显示触碰提醒，如图6所示； 在此基础上，根据不同物体现实场景中的交互方式，自主设置物体交互自由度与角度，并选择所需交互模式（悬浮、触碰、抓取），用户即可用所选择的模式对相应物体进行交互。

图 6 物体碰撞检测

（6）自定义布局

自定义布局功能开发具体如下：首先建立组以存放需要更换位置方案的物体对象；再创建一个数组用以存放物体终点位置。当物体要切换至另一布局方案时，点击相应的UI界面，调用此方法。利用循环遍历物体组，将不同方案下的不同物体的终点位置进行赋值（如图7所示），物体会转移到方案设定的位置，实现自定义布局。

图 7 位置切换

1.5 效果实现

基于上述功能开发，在具体场景中的效果实现如下。

1.5.1 方案切换

（1）材质方案设计

通过前期开发的个性化材质切换功能，用户佩戴VR显示终端进行体验，在VR环境中使用Leap Motion手势对物体进行交互，通过UI界面，选择所需材质，触发相应功能完成材质切换（如图8所示），VR环境中的用户可全方位查看所选择的材质方案效果。（2）模式切换

图8 材质方案切换

人因工程对用户的心理产生的影响不可忽视，为最大限度获得用户对船舶舱室真实的反馈与意见，通过前期开发实现模式切换和软装布置模式切换功能，以增强虚拟环境的真实体验感［3］。用户可根据不同场景自由选择，例如休憩模式下可选择播放白噪声为背景的自然音，休闲娱乐状态下可选择播放轻松舒缓的休闲音乐。此外，所开发的软装布置模式切换功能可使用户快速查看不同情境下的家具布置效果。如图9所示。

图9 模式切换

在上述不同模式中动态切换可使用户在VR环境下快速体验不同模式下的真实感受，在强化生理沉浸的同时提升心理沉浸感，增强环境信息的渗透［4］，以便于其准确提出更多体验式相关的改进意见，这是仅通过观察三维模型无法实现的。

1.5.2 体验式交互反馈

体验式交互是基于VR技术设计新体验的核心，它打破机械间冰冷交流，使人机之间产生更融洽和谐的交互［5］。通过开发，用户即可在VR环境中进行自主体验交互，对设计的合理性进行判断并提出在传统三维设计过程中无法发现的问题：

（1）空间可达性

对于不同舱室空间设计大小是否合适，在三维漫游中只能进行简单测量，无法基于人的体验进行合理调整，人机交互性差。在VR环境中使用角色移动与自定义布局功能，在舱室模型环境构建相应的碰撞体组件，模拟用户在舱室环境中按照现实业务需求移动至对应区域，如此可辅助用户对空间可达性进行合理判断，以确定其设计是否合适。

（2）布局合理性

在舱室布置设计中，软装布局方案主要由用户主观意识所决定。通过VR交互，在虚拟环境中模拟真实场景需进行的操作（如行李箱推拉、桌子移动、常用物品的抓放等），操作者可根据自身肢体执行对应操作的舒适程度对物体的空间布置进行合理性预判。

（3）物体操作性

相较于三维漫游无法对设计的物体是否具有可操作性进行判断，用户在VR环境中可通过Leap Motion手势操作环境中的虚拟物体（图10所示，如放置在角落里的储物柜），通过手势操作柜门的开启与关闭，判断其开合是否存在阻挡，减少后期需返工重新修改设计的可能性。

图10 VR环境下物体交互

通过在虚拟环境中对设计在书柜下的房间灯光开关控制器进行开关操作，判断其设计位置是否合适，在真实环境中是否具有良好的操作性，在设计前期即可对其进行具体的考量。

1.6 对比与分析

通过将所开发应用进行局部舱室区域测试，传统舱室方案设计与VR交互式方案设计具体对比情况如表1所示。

表 1 传统设计方法与VR交互式方案设计比较

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通过上述比较可见VR交互式方案设计优势明显：首先，相较于传统设计方法中仅通过鼠标键盘进行模型旋转缩放的查看方式，VR技术可更方便地查看舱室模型中包括狭小空间的内外部所有区域；在评审环节，用VR评审相较传统模型查看的评审方式更易发现体验性及设计细节方面的问题，相较需要搭建实体样舱的评审方式节约了大量建造物料成本、人力成本及时间成本。

2 结 语

本文基于VR技术构建了船舶舱室VR方案设计应用，将数字化体验式设计应用于船舶舱室方案设计，以第一人称视角实时展示全船各舱室的虚拟设计三维场景，通过物体碰撞交互、材质任意切换、音效添加等多种交互功能构建互动体验，为船东提供多种舱室设计方案。与常规三维漫游设计方案相比，VR舱室方案设计具有环境逼真、沉浸感强、针对性高等特点，方便用户在建造前对不同设计方案进行快速切换，使其更早、更快且更准确地提出方案设计中的相关意见。如此不仅降低了设计成本，也使船舶舱室设计效果实现甚至超越客户预期。

“VR+船舶”的船舶设计模式，是对传统的船舶设计进行创新，对传统造船业基础进行变革，其沉浸性与先行性也将应用于船舶各相关配套环境下，如船舱火灾应急演练、船舶内部维修维护培训和船舶内部最优路径选择等。上述创新与变革的落地，将使我国数字造船技术迈上新的台阶，推进我国数字造船的进一步发展。