本实用新型涉及船舶自动控制及系统仿真技术领域，尤其涉及一种船舶机舱虚拟现 实仿真系统。 背景技术
船舶操纵和轮机模拟器在训练的经济性、反复训练航海、轮机管理人员的实际操作 技能、提高学员分析故障的能力以及进行某些实船不允许的特殊训练项目等方而发挥着 重要的作用，具有不可替代的优越性。它对于避免和减少海难事故所产生的社会效.益是 难以估设的。航海、轮机模拟器的训练费用仅为实际训练费用的1/8~1/10。它既是对于
离级航海轮机人员有效的仿真训练设施，同吋也是进行船舶fi动控制系统科研工作的邻; 要设备。研究开发兼教学训练、科学研究功能为-体的高性能船舶航海、轮机系统模拟 器并将高新技术应用其中具有重要意义。
由于船舶机舱设备繁多及其图形阁象制作困难，国内外轮机仿真器在视景方面长期 处于空白状态，明显落后于其它载运工具操纵仿莨器。 实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种船舶机舱艰拟现实仿真系统，使船舶轮机仿贫器具有进入 机舱的现场感和良好的可视化及交互性，改进船舶轮机仿真器技术性能和培训效果。
为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
—种船舶机舱虚拟现实仿真系统，主要由虛拟控制台、虚拟机舱漫游仿真系统、虚拟驾 驶室仿真系统、虚拟机舱集控室仿真系统、数据库服务器、仿真程序模块、物理控制盘台和 工控机组成，所述的虚拟控制台与船舶实际物理驾驶台或机舱集控台进行通讯和控制切换， 将控制数据写入所述的数据库服务器，显示数据从所述的数据库服务器读出；所述的虚拟机 舱漫游仿真系统实现实船机舱场景的漫游和连续立体显示，其数据來自所述的数据库服务器; 所述的虚拟驾驶室仿真系统完成航行设备的仿真演示，并完成与物理驾控台同样的对船舶运 动和柴油主机的操作，其仿真数据来自所述的数据库服，器；所述的虚拟机舱集控室仿真系 统完成包括虛拟机舱集控室、虚拟集控台、虚拟配电板、虚拟仪表板的仿真演示，并完成与 物理集控台同样的对船舶柴油主机的操作，其仿真数据來自所述的数据库服务器；所述的数 据库服务器为所有其它组成模块提供所需要的数据，实现各组成模块之间的数据交换；所述 的仿真程序模块完成对整个系统各部分数学仿真模型在计算机上的运行和计算，模拟实际船 舶运行时各个控制和状态参数的变化，其数据送到所述的数据库服务器中，提供给其它组成模块调用；所述的物理控制盘台包括实际船舶驾控台和机舱集中控制台及其上安装的仪表、 按钮、车钟、油门控制器、操舵轮，为用户在其上提供各种操作，其与真船系统相同；所述 的工控机完成物理驾控台、集控台上各模拟仪表的模拟量输出和指示灯的开关量的输出及各 开关、车钟和操车手柄位置信号的数据采集，将其送到所述的数据库服务器中，实现对相关 设备的控制，并从所述的数据库服务器读取数据送到实际盘台的仪表上显示。
本实用新型的有益效果是：该仿真系统实现了 "虚拟机舱"、"虚拟集控室"、"虚拟驾 驶台"、"虚拟控制台"及"虚拟仪表板"等功能，使得船舶轮机仿真器首次具有了用户可操 作交互的机舱视景系统，使船舶轮机仿真器具有进入机难的现场感和良好的可视化及交互性， 从而明显提髙了船舶机舱仿真系统的技术性能和高新技术含量。 附图说明
图1是本实用新型船舶机舱虚拟现实仿真系统的结构框图。
图2是本实用新型的仿真图像立体显示原理示意图。
图3是本实用新型的仿真图'像立体显示参数的调整示意图。
图中：1、左眼视野，2、右眼视野，3、视点，4、视差，5、左B艮观察面，6、右眼观察 面，7、观察方向，8、 2X水平视角，9、不对称位，10、对称位，H、集中点距离。 具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细地描述：
如图1所示，本实用新型的船舶机舱虚拟现实仿真系统，主要由虚拟控制台、虚拟机舱 漫游仿真系统、虚拟驾驶室仿真系统、虚拟机舱集控室仿真系统、数据库服务器、仿真程序 模块、物理控制盘台和工控机七个模块组成，各模块的功能以及相互之间的作用关系如下：
(1) 、虚拟控制台
虚拟控制台由j^拟仪表、虚拟按钮、虚拟车钟和虚拟油门杆、虚拟操舵仪等组成，其中， 虚拟油门杆用于控制主机转速，虚拟操舵仪用于控制船舶航向。操作者可用鼠标操纵虚拟控 制台实现与船舶实际物理控制台相同的对船舶主机和航向运动的控制功能。虚取控制台可请 求与船难实际物理驾驶台或机舱He台进行通讯和控制切换。虚拟控制台将控制数据写入数 据库服务器，显示数据从数据库服务器读出。
(2) 、虚拟机舱漫游仿真系统 虚拟机舱漫游仿真系统的功能是实现对设备繁多、结构复杂、管系纵横交错、舱柜层次
迭起、具有数层安装甲板的船舶机舱，包括船舶柴油主机、副机舱、锅炉舱、分油机间和控 制室等空间的实船机舱场景的漫游和连续立体显示，并伴有同步立体声响效果。本实用新型 虚拟机舱现实仿真系统设计为可使用或不使用立体视觉设备两种版本。受训练者可戴上立体眼镜或数据头盔，在投影机大屏幕或计算机显示器上观察到具有"进入"枫舱的临场感的机 舱三维立体场景。操作者也可用鼠标自由选择行动路径，在机舱中任意漫游。虚拟机舱漫游 仿真的数据来自数据库服务器。
(3) 、虚拟驾驶室仿真系统. 虚拟驾驶室仿真系统的功能是通过计算机程序完成虚拟船桥控制室、虚拟驾控台、辨舵
仪、雷达等航行设备的仿真演示，操作者可操纵驾控台虚拟车钟、虛拟按钮等完成与物理驾 控台同样的对船舶运动和柴油主^l的操作，控制台上各种仪表可实时显示仿真数据。当转换 到物理盘台实际操纵时，虚拟车钟、按钮等跟踪物理錄台的操纵。虛拟驾驶室仿真的数据来 自数据库服务器。
(4) 、虚拟机舱集控室仿真系统 虚拟机舱集控室仿真系统的功能是通过计罕机程序完成包括虚拟机舱集控室、虚拟集控
台、虚拟配电板、库拟仪表板等设备的仿真演示，操作者可操纵虚拟车钟、虚拟油门杆、虚 拟按钮完成与物理集控台同样的对船舶柴油主机的操作，控制台上各种仪表可实时显示仿真 数据，并伴有同步立体声响效果。当系统转换到物理盘台实际操纵时,虚拟车钟、按钮等跟 踪物理盘台的操纵。虚拟机舱集控室仿真的数据来自数据库服务器。
(5) 、数据库服务器
数据库服务器提供其它六个模块所需要的数据，各模块之间的数据交换都是通过数据服 务器来实现的，各个模块之间相对独立进行操作。
(6) 、仿真程序模块
仿真程序模块的主要功能是完成对整个系统各部分数学仿真模型在计算机上的运行和计 算，可模拟实际船舶运行时各个^f制和状态参数的变化，其数据送到数据服务器中，提供给 其它模块调用，对用户来说，其感觉是有一艘真实船舶的动力装置和航行设备在运行，该模 块是整个系统的核心所在。
(7) 、物理控制盘台和工控机
虽然此模块是两个部分，但,从数据分布的角度来看，这两者是紧密联系在一起工作的, 所以在这里作为一个模块来说明。物理控制盘台包括实际船舶驾控台和机舱集中控制台及其 上安装的仪表、按钮、车钟、油门控制器、操舵轮等装置，用户可以在上面进行各种操作， 与真船系统相同。
工控机的功能一是完成物理驾控台、集控台上各模拟仪表的模拟量输出和指示灯的开关 量的输出及各开关、车钟和操车手柄位置信号的数据的采集，然后将其送到数据服务器中去， 以实现对有关设各的控制；另一功能是从数据库读取数据送到实际盘台的仪表上显示。船舶机舱虛拟现实仿真系统可实现分别在物理或虚拟驾驶台、物理或虚拟集控台、机旁 应急操纵'台仿真界面上操纵物理或虚拟车钟、物理或虚拟油门手柄、物理或虚拟按钮等完成 对主机三维运动模型的实时操作控制，可实现物理驾控台和集控台之间，物理驾驶台、集控 台与虚拟驾控台、集控台及机旁应急操纵台之间的控制功能无扰动切换。声响仿真系统可实 现逼真的机舱声响效果。
在本实用新型的研制中，运用了虚拟现实三维建模、双目视差分时式立体视觉显示，视 觉现场感产生，虚拟集控台、虚拟驾控台和机旁应急操纵仿真系统对于船舶柴油主机三维运 动模型的实时操纵控制、虚拟环境与物理盘台数据交换数据库等关键技术。
本实用新型的船舶机舱虚拟现实仿真系统采用世界工具包WorldToolKit (WTK)，桌面虚 拟环境系统VRT虚拟环境开发工具开发，其中，虚拟机舱漫游系统由WTK生成，虚拟驾驶 台、虚拟机舱控制室、虚拟控制台及虚拟仪表等应用虚拟现实环境编程开发工具 SUPERSCAPE VRT实现《
船舶机舱虛拟现实仿真系统工作时运行仿真程序，通过数据库服务器交换数据，实现物 理和虚拟船舶驾控台、物理和虚拟机舱集控台对于三维船舶运动场景和柴油主机模型的控制 和物理、虚拟仪表参数显示；完成船舶虚拟机k漫游显示。
.在虚拟机舱中进行漫游主要通过控制虛拟环境中的视点变化来实现，而视点的控制是通 过鼠标操作来实现的，具体如下：
1) 按住鼠标左键并上下左右移动鼠标，可以控制视点前、后、左转、右转的变化，移 动的速度与鼠标箭头距离屏幕中点的距离成正比。
2) 按住鼠标右键并上下左右移动鼠标，可以控制裸点的上、下、左、右的移动，移动的 速度与鼠'标箭头距离屏幕中点的距离成正比。
3) 按住鼠标左键的同时按住鼠标右键，可以控制视点按照顺时针或逆时针旋转。 其它部分的鼠标控制方法均与此相同。为了防止视点运动到机舱模型范围的外侧，在机
舱模型和内部的主机模型中间设置了碰撞边界，即只允许视点在外围设备与中央主机之间的 固定空间内进行自由地移动，所以，如果发生视点不能移动的情况时，可能是视点与碰撞边 界发生了碰撞，应换一个方向移动视点。本实用新型的仿真系统可完成特殊物体拾取与视频 播放，触发物体的拾取，视频文件的播放。
上述虚拟机舱漫游仿真，虚拟机舱集控室仿真，虚拟驾驶窒仿真既可以直接在计算机屏 幕上显示，也可以通过投影仪在扭影幕上显示，可通过立体B艮镜观看投影幕，使用户获得身 临实船机舱的现场感。
本仿真系统运行时虚拟控制台共有六个视角（使用数字键1-6进mo换)：1:集控室控制台(可浏览)，2.驾驶台(^浏览），3.船舶电站，4廉控室控制台近景，,5.驾驶台操作视角， 6.集控室操作视角。
在虚拟机舱仿真系统中，采用了相应的微机图形加速卡，其显示帧存、贴图存储器和面 片着色能力可保证在虚拟机舱漫游时达到每秒15帧以上的显示速率，从而实现了船舶机舱场 景的连续立体显示。虚拟机舱漫游仿真系统再现了实船的机舱，允许用户通过鼠标操作任意 改变视点，在虚拟机舱中进行漫游'
本实用新型中使用立体视觉设备的虚拟立体视觉图象的实现方法说明如下： 本实用新型的仿真系统中，立体显示的实现是根据视差的原理，利用虛拟现实软件工具 包WTK 7.0提供的函数，通过立体眼镜或立体头盔分别为观察者的双眼传送有视差的图象， 从而产生立体感。通过立体眼镜或立体头盔来观察虚拟机舱设备，可以产生非常逼真的三维 立体效果。
WTK程序一li是按照以下步骤运行：（1)首先调用WTuniverse一newO函数建立宇宙， 调入图形对象，设置视点、纹理、窗口、传感器等，完成宇宙的初始化工作。（2)调用 WTuniverse-readyO函数为进入仿真輝环做准备，然后调用WTuniverse_go()函数进入仿真循 环，利用WTK提供的API,在VC中开发出需要的演示系统，该阶段是WTK仿真的核心内 容。（3)调用Wnmiverse一deleteO函数以使图形硬件返回到缺省状态。
如图2和图3所示，在團象的立体显示中，视差（Parallax) 4与集中点距离（Convergence distance) H是两个重要的参数，它们对观测所产生的立体感有较大影响，合理设置这两个参 数可以使观察者获得更真实的三维效果。视差4对立体观测的影响主要体现在：视差越大， 越能获得一个放大的立体效果，但BI着视差的增大，将左右眼的立体图象对融合为一个整体 的3D图像也愈发困难。而集中点距离H对立体观測的影响是i随着集中点距离改变，图象 可以显示在显示设备（如计算机，幕）的前面或后面，当图象与视点3的距离小于集中点距 离时，图像将显示在显示设备的i方，当图象与视点3的距离大于集中点距离时，图像将显 示在显示设备的后方。由于每个人的两眼距离以及其它的一些特征都有微小的差别，为了使 每个用户在进行虚拟漫游时均产生最佳的立体效果，需要根据个人伴征的不同ffl行单独调整。 调整可通过在键盘上定义功能键进行。
本实用新型已在内部的三台大型轮机模拟^中应用，使得新Mf&机模拟器具有"虚拟机 舱漫游"功能，明显提高了轮机仿真器的培训效果，已取得良好的经济和社会效益。