船舶航行复杂周围环境图像三维仿真的主要目的是通过在虚拟环境中模拟船舶航行过程，提高驾驶员对周围环境的感知和应对能力。这有助于驾驶员更直观地了解航行环境^[1]，掌握航行态势，辅助决策，并提高应对突发事件的能力。同时，三维仿真还可降低训练成本和风险，优化航行计划，提高航行效率和作战能力。通过模拟各种复杂环境和紧急情况，驾驶员可以在虚拟环境中进行模拟训练，提高应对实际情况的能力，从而在实际航行中做出更明智、更安全的决策。

国外在船舶航行复杂周围环境图像三维仿真方法方面也有广泛的研究。一些国外研究机构和高校在这个领域取得了较为突出的成果。国外的研究主要集中在模拟船舶的运动、水流、浪涌等效应，并生成逼真的图像。这些方法结合了计算流体力学、计算机图形学以及人工智能等技术，以提高仿真的真实性和准确性。船舶航行复杂周围环境图像三维仿真方面的研究正逐渐兴起。国内一些研究机构和高校在这个领域展开了一系列的研究工作。例如，一些实验室正在开展海洋虚拟仿真系统的开发，以模拟船舶在不同环境条件下的航行情景。

虚拟现实技术在船舶复杂环境中的应用具有广泛前景^[2]。通过模拟真实的船舶操纵过程，包括舵角控制、机器操作和航线规划等，虚拟现实技术可让航海人员在模拟的船舶环境中进行实际操作^[3]，提高他们的技能和判断能力。此外，虚拟现实技术还可模拟各种紧急情况，如火灾、漏水和船只碰撞等，帮助航海人员提高应急处理能力。因此，虚拟现实技术在船舶复杂环境中的应用可以大大提高航海人员的操作技能和应急处理能力。在此以虚拟现实技术为基础，研究基于虚拟现实的船舶航行复杂周围环境图像三维仿真方法，并根据仿真实验结果为航海业的发展提供有力支持。

Vega Prime是一个进行实时仿真和虚拟现实开发的高性能软件环境和良好工具。在此使用Vega Prime虚拟现实开发工具，建立船舶航行复杂周围环境图像三维图像仿真技术架构，其结构如图1所示。

图 1 基于Vega Prime的船舶航行复杂周围环境图像三维仿真技术架构 Fig. 1 Architecture of 3D simulation technology for complex surrounding environment images of ship navigation based on Vega Prime

使用LynXPrime图形界面对船舶航行复杂周围环境进行设置，其过程为：打开Vega Prim的图形界面，在图形界面内，使用Creator工具打开需导入的船舶模型。通过图形界面的控件或属性面板，对船舶的当前位姿进行设置。可通过鼠标交互方式或输入数值来调整船舶的位姿^[4]，根据仿真需求，设置船舶的运动方式。这可以涉及到航行速度、加速度、转弯半径等参数的调整。根据使用需求，设置船舶航行时的视点位置。通过调整视点的位置和角度，可以获得不同角度和观察点的视图，以便更好地观察和评估船舶的航行性能。完成设置后，通过图形界面的操作，将船舶航行复杂周围环境的设置保存为ADF（Advanced Data File）文件。ADF文件包含船舶在特定环境条件下的参数和设置信息，供后续的仿真模型构建使用。船舶航行复杂周围环境的ADF文件，为船舶航行复杂周围环境图像三维仿真模型构建提供vgMarine模块调用基础。

设置完船舶航行复杂周围环境后，建立海洋水体三维空间模型，利用海洋水体的高程点、水深点、等深线等数据，使用ArcGIS软件建立海洋水体三维空间数据的栅格数据。同时使用Skyline平台生成海洋水体数字高程模型，然后通过ArcGIS软件与Skyline平台接口实现栅格数据与海洋水体数字高程模型的交互^[5]，再连接客户端，为客户呈现海洋水体三维空间模型。综上所述海洋水体三维空间建模过程如图2所示。

图 2 海洋水体三维空间建模过程示意图 Fig. 2 Schematic diagram of the three-dimensional spatial modeling process of marine water bodies

海洋水体三维空间建模过程中，水体要素立体表达是关键，其是在三维空间内，定义经度、纬度和深度，然后将栅格化的海洋水体数据生成三维网格空间。令$ x $、$ y $、$ z $方向上分别为经度、维度和深度，三维网格的最小数据单元为像元体，而每个像元体又依据海洋水体的长度、宽度和高度而确定^[6]，因此生成海洋水体要素立体的表达步骤如下：

步骤1　建立离散点水体要素观测数据，由$ {p_0} $表示，其中包括海洋水体的精度、维度、观测时间、流速以及流向等数据。

步骤2　对离散点水体要素观测数据进行空间差值处理，分别在$ x $、$ y $、$ z $方向上的等距空间数据点进行差值，差值的间距由d₁、d₂、d₃表示，则得到空间差值后的海洋水体要素数据p₁。

步骤3　对海洋水体点数据进行栅格化，将差值后的海洋水体数据转换为像元体，得到海洋水体的空间要素Q₁。

船舶航行环境中的复杂因素包含海浪，海浪是由风形成的风浪，但由于海面上的风向以及风出现时间具备不确定性，导致海平面起伏程度不同，海浪高度大小不一，该种海浪也被称为“三维不规则波”。三维不规则波海浪模型由海水振幅、频率、传播方向等要素组成，其表达式如下：

式中：$ \Phi (x,y,t) $为三维不规则波海浪模型，其中x、y为海浪波面上某点坐标，$ t $为时间；$ {\Phi _{aij}} $、$ {\omega _i} $、$ {A_i} $为海浪谐波的幅度、角频率和波数；$ {\gamma _j} $、$ {\varepsilon _{ij}} $为海浪波的方向角和初始相位；$ n $、$ m $为角频率总数和方向角数量。

在LynXPrime图形界面内可利用式（1）来描述当前船舶航行复杂的海浪环境。为使船舶航行复杂环境图像三维仿真视觉效果更好，依据海洋海浪等视景图像对船舶航行复杂环境图像三维仿真模型进行纹理映射处理，得到具有动画效果的海洋环境三维视景。

为获得船舶航行复杂周围环境图像三维仿真的红外、雷达视景仿真，使用Vega Prime虚拟现实开发工具中的Vega SensorVision模块实现该功能，在Vega SensorVision模块中，可设置传感器参数、观察角度等，并使用合适的算法来处理传感器数据。这将产生与红外和雷达视角相匹配的虚拟环境图像，使用户可以获得船舶航行复杂周围环境的红外和雷达视景效果。

为实现船舶航行复杂周围环境图像三维仿真交互，运用Vega Prime虚拟现实开发工具内的API接口来实现，将API接口封装在船舶航行复杂周围环境图像三维仿真交互功能模块内特定类内，如用户需要船舶航行环境中的位置坐标，这些API接口可通过Vega Prime提供的软件开发包（SDK）来获取。创建一个专门用于处理船舶航行复杂周围环境图像三维仿真交互的功能模块或类。这个类可包含用于与Vega Prime API进行交互和获取信息的方法和属性。在特定类内，定义一个方法来获取船舶在航行环境中的位置坐标。这个方法可使用Vega Prime API中的相应功能，例如获取船舶的位置信息或查询船舶的姿态状态等。船舶航行复杂周围环境图像三维仿真其他类型的交互同上述过程相同，采用不同API封装代码即可实现功能调用，实现船舶航行复杂周围环境图像三维仿真交互。

以某港口作为实验对象，该港口区域洋流为大西洋洋流分支，受港口地形和当地海洋条件影响，该港口区域洋流条件复杂。同时该区域风速较大，导致海面海浪较高，该港口巷航众多，进出港船舶也相对较大，因此导致船舶航行环境较为复杂。使用本文方法对该港口船舶航行复杂周围环境图像进行三维仿真，为船舶安全航行提供有效技术手段。

验证本文方法对船舶航行复杂周围环境的海流三维仿真效果，以该港口某一区域作为实验对象，该区域的海流三维仿真结果如图3所示。图3可以看出，本文方法有效地对船舶航行复杂周围环境的洋流图像进行三维仿真。从海底到海面，该方法可呈现洋流流向的变换情况，以及洋流在不同深度时的流速情况。这一结果说明，本文方法有效地为用户呈现船舶航行复杂周围环境的洋流环境，为船舶航行的速度、航向等设置提供洋流数据参考。这种方法不仅可帮助船舶航行更加安全和高效，还可为海洋科学研究提供有力工具。未来，该方法有望得到更广泛的应用，为更多领域的用户提供准确、实时的洋流数据，促进科学研究的进步和发展。

图 3 船舶航行复杂周围环境的海流三维仿真结果 Fig. 3 3D simulation results of ocean currents in complex surrounding environments during ship navigation

以船舶航行复杂环境的水温环境作为衡量指标，对船舶航行区域的复杂水温环境图像进行三维仿真，仿真结果如图4所示。可知，本文方法在仿真船舶航行复杂环境的水温图像时，能够有效地模拟不同深度下的海水温度变化情况。结果表明，该方法的应用效果较为显著。通过仿真，可更加深入地了解和掌握该区域海水温度的分布情况和变化规律，为船舶航行的安全和速度提供重要的参考依据。

图 4 船舶航行复杂环境水温图像三维仿真结果 Fig. 4 3D simulation results of water temperature images in complex environments during ship navigation

船舶航行时，其周围会存在不同类型以及数量的其他船舶，使用本文方法对船舶航行复杂环境中的其他船舶位置图像进行三维可视化仿真，仿真结果如图5所示。可知，本文方法在复杂航行环境中对其他船舶进行红外可视化仿真时，其结果与目标船舶完全吻合。这表明该方法具有较高的可信度和显著的应用效果。通过这种方法，我们可以对船舶航行复杂环境中的其他船舶进行准确的图像三维仿真，从而更好地了解和掌握该区域内的船舶分布和行动情况，为船舶的航行安全和调度提供重要参考依据。同时，这种方法还可为军事领域提供更加准确、实时地情报支持，可以更好地应对复杂的航行环境。

图 5 复杂航行环境中其他船舶红外可视化仿真结果 Fig. 5 Infrared visualization simulation results of other ships in complex navigation environments

基于虚拟现实的船舶航行复杂周围环境图像三维仿真技术，为船舶驾驶员提供了一个身临其境的航行环境体验。利用虚拟现实技术中的Vega Prime虚拟现实开发工具，并结合海洋和船舶相关的数据与图像，使用Crertor工具，创建flt静态三维模型库；从flt静态三维模型库中选择船舶模型，并导出所需的三维模型数据，使用Vega Prime开发工具中的LynXPrime图形界面，对船舶航行复杂周围环境的水体、海浪等进行建模，并进行纹理制作。将建立的船舶航行复杂周围环境模型与实时驱动和视景仿真驱动相结合。通过运行仿真交互程序，使船舶航行复杂周围环境图像三维仿真模型与用户进行交互。经过进行多角度验证，本文方法可有效对船舶航行的复杂环境图像进行三维仿真，为船舶航行提供航行决策依据，也为提高驾驶员的技能和应对突发事件的能力提供重要的技术支持，未来可在船舶货运、海上安防等领域广泛应用。