0 引　言

由于海上运输环境复杂，船舶在航行过程中遇到暗流、大风等特殊天气对其安全航行带来了一定的威胁^[1-3]，因此对船舶海上航行进行虚拟现实呈现意义重大。受技术和画面细节处理限制，其呈现的船舶航行画面效果不佳。目前也有很多学者研究了船舶航行画面优化系统，如时光志等^[4]设计的船舶仿真系统，该系统利用虚拟现实技术建立了船舶LNG三维模型，通过优化该三维模型参数，实现船舶航行场景的优化。林文友等^[5]则将虚拟现实技术应用到了船舶训练过程中，利用虚拟现实技术构建船舶训练虚拟场景后，对其细节刻画和纹理贴图进行了参数修正，达到船舶航行场景优化目的。但上述2种系统在应用过程中均存在加载船舶航行虚拟场景画面过慢、卡顿等情况，导致用户体验感不佳。

虚拟现实技术也称VR技术，可在视觉上给用户更加直观的感受，提升用户的人机交互能力和对模拟场景的认知程度，为此设计基于虚拟现实的船舶航行多视角场景优化系统，以提升船舶航行画面呈现效果。

1 基于虚拟现实的船舶航行多视角场景优化系统 1.1 系统整体技术架构

基于虚拟现实的船舶航行多视角场景优化系统架构如图1所示。由多通道视景虚拟现实模块、无线传感模块、人机交互模块和多视角场景优化模块构成。采集船舶航行场景基础数据后，利用无线传感模块将该船舶航线基础数据传输到人机交互模块内。人机交互模块网络收发单元将船舶航行基础数据发送到视景虚拟现实模型内，利用该模型生成船舶航行多视角场景后，利用多视角场景优化模块对船舶航行多视角场景进行航行仿真要素分析、图像加速绘制优化、航行场景显示优化和航行场景加载速度优化后，将优化后的船舶航行多视角场景传输到多通道视景虚拟现实模块的立体屏幕上，用户通过佩戴虚拟现实设备查看船舶航行多视角场景。

1.2 系统硬件总体结构

船舶航行多视角场景优化系统硬件由多视角投影机组、头戴虚拟现实设备、交换机、立体屏幕等构成。利用多视角捕捉摄像机捕捉船舶航行多视角场景后，利用视景虚拟现实模型生成船舶航行多视角场景并对其进行优化后，将其传输到监视器内。用户通过头戴虚拟现实设备，利用该头戴虚拟设备与交换机相连，控制交换机获取监视器内的船舶航行多视角场景，将该场景经由图形工作站发送到多视角投影机组内，利用该多视角投影机组将不同角度的船舶航行场景投放到立体屏幕上，实现船舶航行多视角场景的展示。

1.3 虚拟现实硬件装置电路结构优化设计

头戴虚拟现实设备也称虚拟现实装置^[6]，其是船舶航行多视角场景优化系统的核心硬件之一。虚拟现实装置的功能由其自身电路控制实现，因此对虚拟现实装置电路结构进行优化意义重大。设计虚拟现实硬件装置电路控制优化结构，如图3所示。

1.4 船舶航行仿真要素分析

船舶航行多视角场景可视化分析是其优化的基础，船舶航行多视角场景由海浪、船舶航迹流等构成， $ r $ ， $ U $ 分别表示海浪的波速和海水深度，将海浪问题做线性化处理，则有：

$ {r^2} = \frac{{g*th(kU)}}{b}。$

(1)

式中： $ th( \cdot ) $ 表示双曲正切函数； $ g $ 表示海浪波长。当海水深度数值为无穷大时， $ th(kU) $ 数值接近1，反之则 $ th(kU) $ 数值约等于 $ kU $ 。

船舶航行时，水质点在海浪的波峰位置移动，海浪进行一个波长时，需要一个时间周期，则水质点的平均轨迹速度表达公式如下：

$ v = \pi \eta c 。$

(2)

式中， $ \eta $ 表示波浪的陡度。

按照上述描述海浪要素，综合考虑海浪级别划分，即可得到船舶航行多视角场景优化时的海浪级数。

1.5 图像加速绘制优化设计

按照船舶航行多视角场景优化需求，在图像加速绘制优化模块内使用Billboard技术对船舶航行多视角场景的绘制进行优化处理，可有效节省绘制虚拟航海场景的运算时间，达到图像加速绘制目的。

1.6 航行多视角场景加载速度优化模块设计

利用视景虚拟现实模型构建完成船舶航行多视角场景后，将其导入到Unity3D工程文件内，使用Unity3D工程文件内的插件uniLOD对船舶航行多视角场景实施压缩简化处理，同时生成涵盖船舶航行多视角场景细节层次场景模型。再将该细节层次场景模型导出存储为.unity3d格式资源文件，将该文件打包存储到服务器内，当用户浏览船舶航行多视角场景时，可异步加载.unity3d格式资源文件的同时，也可同步加载动态船舶航行多视角场景模型文件，使船舶航行场景加载速度得到了优化。

1.7 船舶航行多视角场景显示优化模块设计

船舶航行多视角场景的真实度是提升用户观感的首要表现形式，其受船舶航行多视角场景的纹理贴图和场景模型的精细程度决定。对船舶多视角场景显示进行优化处理过程如图4所示。

2 实验结果与分析

以在某海域航行的船舶作为实验对象，使用本文方法对其海上航行多视角场景进行优化处理。实验应用软件为3D Studio Max和OpenGL，从多个角度对本文方法展开验证，分析其实际应用效果。

2.1 网络通信传输测试

网络通信传输是影响船舶航行多视角视景的基础，设置通信传输速度下限为120 bps，测试在传输不同多视角视景文件大小情况下，本文方法的通信传输速度，测试结果如图5所示。分析图5可知，本文系统在通信传输过程中的速度受多视角场景文件大小影响，多视角场景文件越大则通信传输速度越低。但本文系统通信传输速度随着多视角场景文件增加其降低趋势较为轻微，且通信传输速度数值始终高于通信传输速度下限。该结果表明，本文系统具备良好的通信传输功能，可有效提升船舶航行多视角场景的加载速度。

2.2 多视角场景文件优化测试

以船舶航行多视角场景文件大小和场景特征保留程度作为衡量指标，测试在不同大小的多视角场景文件时，本文方法对其优化效果如图6所示。分析图6可知，应用本文系统后，多视角场景文件大小数值均得到了有效降低。虽然多视角场景文件越大，本文优化后的多视角场景文件的场景特征保留程度逐渐降低。但在多视角场景文件大小为400 MB时，本文系统对其进行优化后，其场景特征保留程度依然高于98%。结果说明，本文系统具备较强的多视角场景文件优化性能。

2.3 多视角场景优化效果呈现

应用本文方法对该船舶航行多视角场景进行优化后，在立体屏幕呈现本文方法优化后的检测航行多视角场景画面，呈现效果如图7所示。分析图7可知，本文系统可清晰、逼真地呈现船舶航行多视角画面，且系统界面功能较全面，画面简洁。用户可通过该画面查看船舶航行多视角优化效果，场景文件管理以及通信传输等操作，具备良好的人机交互性能。

3 结　语

本文设计基于虚拟现实的船舶航行多视角场景优化系统，运用虚拟现实技术构建了船舶航行多视角场景后，在其加载速度、文件大小以及场景显示等方面进行了优化。实验验证表明，本文系统在优化船舶航行虚拟现实场景的加载、呈现等方面具备较好的能力，可较好地呈现舰船航行多视角场景，且系统画面功能较为全面，可为用户提供较好的人机交互功能。