0 引　言

舾装设计是船舶建造中不可缺少的重要作业内容，占据着举足轻重的地位^[1]。舾装作业量占船舶建造总作业量的50%左右，当舾装件设计出现变更，将需要大量时间与人力完成设计图纸的修改，甚至容易引发质量问题^[2]。船舶舾装数字化三维设计能够通过调整模型参数实现模型尺寸的修正，不仅可使设计质量得到稳步提升，也能有效改善设计效率低下问题，为船舶建造提供了完整三维可视解决方案^[3-4]。

卢慧敏等^[5]将CADMATIC计算机辅助软件应用到船舶舾装数字三维模型中，完成设备参数化、模型标准库、铁舾件三维模型等的构建，避免了设计变更带来的设计人员工作量大幅增长的问题。薛晓宁^[6]通过CATIA三维设计软件实现舾装设备模型、装配工艺等设计，有效提升了设计质量。上述方法存在的共同问题是船舶舾装数字三维模型设计视觉效果不理想。融合视觉信息对构建的船舶舾装数字三维模型进行高质量呈现是现代船舶建造亟待解决的问题^[6]，因此，本文提出融合视觉信息的船舶舾装数字化三维辅助设计，以达到舾装三维设计效果改善目标。

1 船舶舾装数字化三维辅助设计 1.1 基于机器视觉的船舶舾装设备数据扫描

机器视觉通过对船舶舾装设备目标进行多视角图像采集，在对其进行预处理后获取三维空间像素点，并得到坐标转换参数，将不同相机之间的视差作为船舶舾装设备定位依据，实现船舶舾装设备空间数据的扫描。Q(x, y, z)为三维空间中的任意一点，q₁(x, y)、q₂(x, y)为2台相机成像面C₁、C₂上与之对应的坐标点，O₁、O₂分别为2台相机的光心，连接O₁、q₁和O₂、q₂，2条直线必然相交于一点，交点即为船舶舾装设备目标所在位置Q(x,y,z)。双目视觉原理图如图1所示。根据双目视觉原理对船舶舾装设备目标空间数据进行采集，依据空间几何关系对点 $ W $ 的三维空间坐标进行确定，由此即可实现船舶舾装设备目标空间数据的获取。

1.2 舾装设备参数化三维建模

采集船舶舾装设备目标的空间数据后，采用FORAN软件实现船舶舾装设备参数化建模，具体流程为：

1）准备工作

此阶段主要内容为获取船舶舾装设备空间数据信息、图纸，对舾装设备接口数据进行收集，制定设备分解策略，完成舾装设备几何尺寸信息的获取，掌握设备型号数据以及所属模型库。

2）船舶舾装设备属性描述

调取FORAN软件信息库保存的舾装设备属性数据，完成CLASS、Component等的描述。

3）舾装设备参数化三维模型构建

打开Fdefin模块，启动Definition of Library Models工作模式，在几何宏图标下确定模型所属类别后，进行对应几何宏文件的点击，再选择“geometry”并单击该按钮，即可完成船舶舾装设备参数化模型的构建。选中“OK”按钮则可将构建的船舶舾装设备参数化模型予以保存，选择“CANCEL”按钮则取消参数化三维模型的构建。通过“Preview”按钮可完成三维模型的预览，通过调整模型参数即可获得不同尺寸需求的船舶舾装设备三维模型。

4）Sketch草图的绘制

草图以.png格式进行存储，通过草图可确定船舶舾装设备参数化三维模型参数的具体位置。

三维模型的构建流程如图2所示。

1.3 舾装设备参数化模型安装基准点的确定

对船舶舾装设备进行参数化建模可完成舾装设备外形的创建，再对模型参数进行修正便可完成所需尺寸舾装设备三维模型的确定。舾装设备三维模型的空间布局在船舶舾装数字化三维辅助设计中至关重要，对船舶舾装设备三维模型信号点进行设定，完成其具体安放位置的确定。利用宏程序设计的一些特殊点即为船舶舾装设备三维模型信号点，在完成几何宏位置、方向、向量指令的设定后，就能够为全部几何宏文件完成信号点的分配。

对于几何宏文件而言，可设定连接点、尺寸、方向、通舱件等类别信号点。在船舶舾装设备三维模型布局中，关键要获取连接、方向信号点，其中前者以“Cx”为关键字，部分类别几何宏文件内的连接点位置与舾装设备外形具有等同的重要度。完成几何宏连接信号点的设定后，它会向系统传输舾装设备三维模型的连接点信息，以便系统实现对其的处理。对连接点坐标与方向进行描述，通过宏语言实现处理后，建立与船舶舾装设备参数化三维模型之间的联系。管路参数化模型的输出、输入连接点分别通过关键字“C₁”、“C₂”进行标注，支管用关键字“C₃”、“C₄”定义。利用箭头描述船舶舾装设备参数化模型的一个连接信号点，首个连接信号点的箭头指向和坐标对其余信号点的设定至关重要，箭头方向用于描述介质在管道内的流动方向，故而要始终朝向入口或出口侧。后者以“OR”为关键字。每个几何宏文件中以“OR”关键字命名的方向信号点具有唯一性，一般将其设定在几何宏初始插入点处。若未进行方向信号点的设定，则将原始三维坐标轴所在方向的其中之一作为船舶舾装设备参数化模型的方向。利用MAC_PLOG<名称><点><矢量>描述信号点的参数化设定宏指令。

1.4 基于混合图元的船舶舾装数字化三维渲染

实现船舶舾装设备参数化模型的构建及其安装基准点的确定后，采用混合图元全自由度渲染法对其进行处理，以提高船舶舾装数字化三维设计效果。该方法能够对船舶舾装数字化三维模型的点、线图元数进行自适应选择，完成输入模型层次细节的准确刻画，实现船舶舾装数字化三维设计高质量、可视化呈现。设定用多边形集合M表示船舶舾装数字化三维模型，A_i表示各个多边形面积，其屏幕空间投影面积 $ {A'_m} $ 可通过下式求得：

$ {A'_m} \approx {A'_u}\sum\limits_1^n {{A_i}} ，$

(1)

式中：P_m为船舶舾装数字化三维模型所在位置用； $ {A'_u} $ 为该处正对视口的单位四边形投影面积，V为该模型的三维空间向量，利用函数f(V)可将其投影至屏幕坐标系下。U_c为相机垂直方向向量，单位投影长度 $ {L'_u} $ 通过下式进行计算：

$ {L'_u} = \left| {f\left( {{P_m}} \right) - f\left( {{P_m} + {U_c}} \right)} \right| ，$

(2)

$ {A'_u} $ 公式描述为：

$ {A'_u} = {\left( {{{L'}_u}} \right)^2}。$

(3)

在对船舶舾装三维模型进行渲染时，设定 $ W $ 、M_p、M_v分别表示视口、投影以及视图矩阵，三维渲染引擎采用透视投影的情况下，确定单位投影面积，当点集、线集可实现船舶舾装数字化三维模型的近似描述时，通过 $ {A'_p} $ 、 $ {A'_l} $ 对应表示二者的投影面积。为实现船舶舾装数字化三维模型的全面几何覆盖，需使点、线图元的空间投影面积总和不低于船舶舾装数字化三维模型的空间表面积，即

$ {A'_m} - {A'_p} - {A'_l} \leqslant 0。$

(4)

2 实验结果与分析

以船舶舾装设备为实验对象，基于双目视觉原理对其进行扫描，获取空间数据信息，将采集的舾装设备空间数据与设备图纸等作为实验样本数据集，其中涉及舵设备、锚设备、管路、舱口盖、直梯、系泊设备等。应用本文方法开展船舶舾装数字化三维辅助设计，分析本文方法的设计效果。

采用本文方法对船舶机舱底部区域进行舾装数字化三维辅助设计，以CBT 199-BS(1)型通舱管件为例，其结构中除了一根直通管外，还有一根弯管，法兰盘起着连接作用，将二者相连，其具体结构尺寸如表1所示。通过对其空间数据采集结果、三维模型构建结果以及Sketch草图的绘制结果进行分析，验证本文方法的有效性，结果如图3～图5所示。分析图3～图5可知，通过对 CBT 199-BS(1)型通舱管件进行扫描，可获取其不同视角图像数据，依据空间几何关系，完成其空间数据的采集。基于该管件的空间数据信息与设计图纸，可实现该管件参数化三维模型的构建。同时，能够在Sketch草图中标注三维模型参数信息，通过对各参数进行修正即可得到具有相同外形特征而存在结构尺寸差异的通舱管件三维模型。实验结果表明，本文方法具有船舶舾装设备参数化三维模型构建性能。

船舶机舱底部区域的舾装数字化三维设计可通过若干个舾装单元实现，部分舾装单元的数字化三维设计结果如图6所示。分析可知，本文方法能够对船舶机舱底部区域的各个舾装单元开展管线布置设计，确定管路初始坐标等。同时，能完成不同阀件、弯头以及仪表等安装位置的设计，实现船舶舾装数字化三维设计，具有实际应用性。

视觉质量体现船舶舾装数字化三维设计效果，采用本文方法对船舶舾装三维模型进行渲染，通过对比渲染前后的视觉质量差异，验证本文方法的设计效果，实验结果如图7所示。分析可知，利用点、线图元对船舶舾装三维模型进行渲染后，其视觉效果获得明显提升，色彩对比度更强烈、饱和度更好，同时，不仅可使模型渲染结果更具平滑性，而且能够起到形变抑制作用。实验结果表明，本文方法具有三维模型渲染性能，渲染后的船舶舾装三维模型视觉效果更突出。

3 结　语

将本文方法应用到船舶机舱底部区域舾装数字三维设计中，通过对CBT 199-BS(1)型通舱管件三维模型构建结果、部分舾装单元设计结果以及渲染前后的模型视觉效果差异进行分析，验证本文方法的设计效果。实验结果表明：

1）本文方法可获取多视角舾装设备空间数据，建立三维模型，并确定安装位置，实现舾装三维模型布局设计。

2）渲染后的舾装数字三维模型对比度强烈、色彩饱和度好，视觉效果突出。