基于虚拟现实技术的大型舰船舱内空间优化

刘 丹，王雯艳

(南昌工学院，江西 南昌 330108)

0 引 言

虚拟现实技术是指通过计算机系统对真实空间的物体进行抽象建模，保留了物体的各种物理特性，同时能够借助计算机的强大、硬件的性能，从而使用户能够体验到仿佛置身其境中的感觉，模拟出虚拟环境中的环境变化，用较为简单的方式完成人与机器之间的融合[1- 3]。

虚拟现实技术在船舶领域有较多的应用场景，而本文基于VR 技术结合人工智能的图像分割技术，对大型舰船的舱内空间进行优化，采用系统化的方式对虚拟空间的设备进行操控，然后融入传感技术、三维建模，对大型舰船舱内空间加以优化。以期能够更好地为船员展示舱内虚拟场景，使其在系统运行过程中能够加快数据的传输，采取多通道的传输方式展示出虚拟环境中的漫游场景，从而给船员一种身临其境的感觉，同时也是虚拟技术与运动模式之间的一种融合体验[4- 5]。

1 大型舰船舱内空间优化策略

1.1 舰船的虚拟化需求分析

视觉是人类感受自然最为直观的一种方式，一个舒适柔和的光线或是搭配适宜的色彩，都可以为人的视觉感官带来一定的放松，从而提升其对身边所处环境的舒适感。因此基于VR 技术对舱内空间进行交互式设计，并借助图像分割对舱内空间进行合理划分，可以更为细致全面地描述出舱内主机、通讯导航设备、操舵系统、通道系统等细节，在营造视觉舒适度的同时，加强船员对舱内零部件的熟悉程度，提升船员工作效率。

1.2 船舱虚拟环境的互动

通过对大型舰船不同功能的船舱进行划分，可以对应采用不同的行为以及空间进行分析，因此通过空间设计、交互式设计、VR 技术进行联合运行，可以让大型舰船舱内环境与船员行为达到一个高度的统一，降低因为不熟悉舱内空间而导致不良事故的发生。现如今，随着船舶工业化的发展，越来越多的设计者开始从建筑空间的角度围绕大型舰船展开了舱内的舒适度设计，旨在行为舒适度上能够满足船员的一日生活需求。此外，目前有不少学者在具体的材料选择上进行了充分考量，通过适当的引入人机工程学相关理论知识，在空间的分割过程中可以借助大型舰船舱内墙体等物体进行针对性的设计，从而满足船员在作业的时候能够合理有序地安排行为流线，提升其在舰船舱内的行为舒适度。

2 大型舰船舱内虚拟现实空间图像分割理论分析

虚拟现实图像分割是从图像中抽取有意义的部分或区域，进行分割后并提取出有用参数。尤其是在军事领域得到很大的运用，有助教官对监察对象的相关背景进行分析。因此引入人工智能的图像分割技术，从关键环境中抽取出所需要的像素域，需要对每个像素点进行计算。

自适应阈值判定方式，在实际应用中，能对图像的灰度特征进行自适应识别，具体分为图像背景和物体本身2 个图像区域。

大型舰船舱内空间结构如图1 所示，背景与对象的类型间差异愈大，则表示2 个要素的差异愈大，而将局部目标错误划分为背景或局部背景错误则会使2 个区域的差异减小。所以，最大类间差异分割是最小的错误概率。对于图像I（x，y），用T表示前景（也就是对象）和背景的划分阈值，并且属于前景的像素点数量在整个画面中的比率用欧ω0表示，其平均灰度μ0；在整个图像中，背景像素点的数量为μ1，其平均灰度值为μ2。用μ表示图像的整体平均灰度，用g表示类间方差。假定图像的背景为黑色，图像尺寸为M×N，而在图像中，如果像素的灰度值低于像素数量阈值，则被记录为N0，反之则为N1，则可算出：

图1 大型舰船舱内空间结构图Fig.1 Spatial structure of large ship cabins

3 基于虚拟现实技术的舱内空间特征提取

3.1 虚拟舱内空间面积的计算

区域面积是指大型舰船舱内空间一个大致的形貌特征。本文统计的舱内区域面积大小与舱内的各种像素有关，而与舱内灰度变化无关。其中像素值为1 说明舱内有可以捕捉到的设备，像素值为0 则代表舱内背景。据此列出舱内面积分割公式为：

式中：R为舱内各设备像素的集合，通过对舱内图像进行分割，得出区域面积。

利用对大型舰船舱内空间的图像分割技术分析结果，结合统计学分析数据，对本文选取的某大型舰船舱内空间面积进行估计，计算第k个点y坐标，得出公式：

式中，εi为第i个链码值。计算大型舰船舱内相应的边界面积为：

3.2 舱内作业区域的质心

大型舰船舱内空间目标的质心。是指舱内相关设备在图像中的重心位置。本文对大型舰船舱内空间相关设备MN 的数字图像设为f（x，y），其区域质心定义如下：

基于以上二值图像，对大型舰船舱内空间的灰度变化进行分析，并借助几何矩来计算目标大型舰船舱内空间的质心，定义如下：

最后得到灰度变化量随样本数量的变化曲线如图2所示。可以发现随着样本数量的增加，灰度变化量也随指数倍上涨，上涨速度也越来越快。

图2 灰度变化量随样本数量的变化曲线Fig.2 Variation curve of grayscale variation with sample size

通过准确描述大型舰船舱内空间设备在图像中的方向，可以提高操作人员对空间目标的操控精度，在进行舱内物品互动操作时，通常需要先将空间物体的最小惯量轴的最小值E对其进行定义：

式中：r为点（x,y）到该直线的垂直距离。

中心距为：

大型舰船舱内的空间图像区域方向，计算为：

3.3 虚拟区域的周长

为了准确获得大型舰船舱内空间的周长和三维空间尺寸，一般需要对以下几种区域的边界进行计算：

1）区域和背景交界线的长度；

2）区域边界8 链码的长度；

3）边界点数之和。

设区域的周长是L，其周长计算如下：

最终，在对大型舰船舱内空间各部分进行系统的收集及计算后，基于VR 技术对其建模，搭建舱内空间环境，并对其舒适性进行改造。

4 基于虚拟现实技术的大型舱内空间布局设计

基于图像分割技术，结合使用VR-BWS 虚拟场景，对大型舰船舱内空间进行虚拟现实交互式设计。

4.1 舱内空间优化步骤

步骤1 优化空间物体边缘过渡的流畅性。为了使空间形成形式美的规律，它朴素的几何形体，经过合理利用，还可以使空间形式多样化、抽象化。而在空间的优化思路上，则需要秉承着以人为本的设计原则对其进行合理规划，旨在为船员改善舱内空间生活及工作品质。

步骤2 对虚拟舱内环境进行渲染。基于VR 技术对舰船舱内空间进行优化，要充分考虑到现实空间的采光需求，因此在进行优化的过程中，不仅需要将诸如齿轮箱、变距桨、舵机等不需要频繁由船员操作的机电系统进行隐藏，保持舱内美观，同时也需要在空间优化设计方面更加重视色调的统一。并且舱内设计在色彩的运用上，也需要保持色调的统一，避免船员在工作中被过于绚烂的色彩干扰，因此在舱内色彩的选择上，可以将主色调控制在3 种颜色以内，并通过同一种颜色的大范围使用，确保空间纯粹性。此外，舱内恰当的留白，也可以让空间更纯粹、灵动与自然，给船员营造出一个静谧恬静之感，从而提升船员的舒适度。

4.2 三维虚拟现实模型的建立

使用3dMax 软件对当前环境初步设计，完成设计后使用3ds 格式保存当前数据，然后使用Multigen Creator 软件对当前数据进行处理，通过Multigen Creator对每一个涉及到的零件创建数据库，再通过Multigen Creator 对当前已有图片进行编辑，也可以删除不合理图片，同时还支持后期能够调整或增加零件的功能。

在相关参数上，首先基于某大型舰船的相关数据资料完成舱内空间数据库的创建，然后再使用Open Flight 软件实现对数据库的优化，同时也能更好地展示出仿真的作用，最后得出三维模型。建模精度随时间变化曲线如图3 所示。可知，虚拟环境中物体的建模精度始终处于相对稳定的变化区间内，建模精度非常高。

图3 建模精度随时间变化曲线Fig.3 Modeling accuracy versus time curve

4.3 虚拟模型数据的融合及优化

模型建造前还需要检测当前环境是否合理，可采用美国环境系统研究所研发的ARC/INFO 工具进行数据融合处理 ，其中遇到不合理的地方时可以通过调整数据输出的方式改变地形。

关于舱内各空间地形的展示，也离不开数据和数字高程模型，高程模型能够更好的将整体化分为大小相等的网格状，每个网关都代表不同点位的数据信息。采用三维方式建模时，需要提前将DEM 数据通过Multigen Creator 软件对当前格式修改。

修改后的数据可使用CAT 对地形模型初步建造，同时会将多余数据简化。模型建造时不同网格表现形式有较大变化，与理想状态不符或者需要修改时可采用Multigen Creator 软件重新调整，然后再采用特殊的投屏方式展示出来，投屏时可采用经纬度的方式展示，以便能够更好地观看舰船舱内的三维虚拟全景。

4.4 设计结果

本次关于大型舰船舱内空间优化，通过3D 建模得出了如下图4 所示的大型舰船舱内空间整体效果意向图。整个三维图像非常逼真，各个物体之间的过渡也非常平滑，说明虚拟现实效果非常好。

图4 大型舰船舱内空间整体效果意向图Fig.4 Intention diagram of the overall effect of the interior space of large ships

5 结 语

使用三维虚拟现实技术能够在计算机中实现大型舰船舱中不同场景的变化，系统会根据船员的需求提供不同的功能和性能，通过三维系统的建模和参数优化，舱内的各个功能块图像能够良好的融合，然后利用Multigen Creator 软件对舱内的空间布局进行大量的自动优化，能够最大化合理利用舰船的空间。