0 引　言

船舶高速移动过程中，受海洋气象、海上交通状况等众多因素影响^[1]，周围环境复杂多变，容易引发船舶倾覆、碰撞等严重事故。二维模拟系统虽然能够为驾驶员提供真实的操作体验，但是无法满足多样化、大规模的训练需求，无法提升驾驶员对复杂环境的应对能力^[2]。虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术为用户提供模拟环境，实现用户与虚拟环境的交互。利用虚拟现实技术构建船舶航行的虚拟环境，驾驶员能够体验复杂的船舶航行场景，提升对突发情况的应对能力。

韩成浩等^[3]基于虚拟仿真测试平台设计了船舶智能航行系统。依据所设计系统，能够在虚拟环境中实现极端与危险场景的测试，快速设置和调整测试场景，缩短测试周期。该系统能够同时设置多种航行条件以及航行任务，实现航行功能的并行测试。但是该系统过于依赖精准的海洋环境模型以及船舶模型，海洋环境不确定性过高，影响模型的精准性，导致测试结果与实际情况存在偏差。李松龙等^[4]研究了船舶编队过闸航行的三维实时仿真方法。该研究利用仿真系统对多船编队协同过闸模式进行优化，提升了船闸水域的通航效率，保障了船舶的航行安全。但是该研究的实际应用中，需要考虑船闸水域地形、动态环境等众多因素，且模型渲染时，需要对场景模型进行逻辑优化，影响模型的细节呈现效果。杨晓等^[5]研究了VR交互式三维虚拟船舶建模与仿真方法。利用该方法，VR技术能够为用户提供沉浸式体验环境，用户可以观察船舶细节、内部结构及运行状态。船舶设计师可以实时调整船体形状、舱室布局等船舶参数，缩短设计周期。但是为了构建精准的虚拟船舶模型，需要获取大量的船舶设计数据、结构参数等信息，信息获取难度过高。黄亚南等^[6]将可视化编程技术应用于船舶主尺度智能寻优模型构建中。可视化编程通过图形化界面和拖拽式操作，将复杂的编程逻辑转化为直观的图形模块。通过可视化编程工具，能够以直观的图表和图形形式，呈现模型运行过程中产生的数据。虽然可视化编程平台提供了多种智能寻优算法库，但这些预设算法往往通用，无法完全满足船舶主尺度寻优问题的特殊需求。

针对以上方法存在的问题，将虚拟现实技术、智能仿真技术与船舶工程领域相结合，通过构建船舶高速移动周围环境的智能仿真模型，为船舶航行安全、高效运行提供有力的技术支持。

1 船舶高速移动周围环境智能仿真 1.1 高速移动的船舶数学模型

选取二维半切片法构建高速移动船舶的运动模型。设船舶航速为$ V $，船舶高速移动时，所在海洋空间的直角坐标系为$ o - xyz $。高速移动船舶速度势的表达式如下：

$ \Phi (x,y,z) = \left( {x + {\phi _s}} \right)V + {Re} [\phi (x,y,z){e^{j\omega t}}]。$

(1)

式中：$ {\phi _s} $与$ \phi \left( {x,y,z} \right) $分别为定常波势以及不定常势；$ j $与$ \omega $分别为虚数单位以及角频率；$ t $为船舶移动对应的时间。

由于船舶移动具有线性特性，用$ {\phi _a} $与$ {\phi _b} $分别表示海洋的入射波势以及绕射势，可得$ \phi \left( {x,y,z} \right) $的表达式如下：

$ \phi (x,y,z) = A({\phi _a} + {\phi _b}) + \sum\limits_{j = 1}^n {{\xi _j}} {\phi _j} 。$

(2)

式中：$ {\xi _j} $与$ {\phi _j} $分别为振幅以及船体以单位振幅运动时的辐射势；$ A $为入射波波幅。

1.2 船舶高速移动周围环境的三维场景模型构建

依据所构建的高速移动的船舶数学模型，采集船舶及周围环境的点云数据。将离散的点云数据转换为船舶高速移动周围环境的三维表面信息。选取Delaunay三角网方法，构建船舶高速移动周围环境的三维场景模型。采用虚拟现实技术利用三角网格生成船体、海浪等三维模型。Delaunay三角网方法通过添加、复制、移动或删除顶点、边和面，简化船舶高速移动周围环境的三维场景模型。

1.2.1 选取三维模型的控制顶点

选取船舶高速移动周围环境三维场景模型的控制顶点时，保留网格模型的大致形状，消除部分局部细节特征，同时需要保留原始船舶高速移动周围环境模型三角网的拓扑结构。利用三角网顶点的凹凸信号，检测场景模型中的凹陷特征点，通过几何信号排序，对原始网格模型顶点分频。用$ {B_N} $与$ N(i) $分别表示顶点$ {b_i} $的单位外法矢量及其二阶邻域，定义模型顶点凹凸信号的表达式如下：

$ G = \max\{ {B_N} \cdot B_O^ + \} |N(i)|。$

(3)

式中：$ B_O^ + $为顶点$ {b_i} $指向其邻域内的点$ {b_j} $形成的单位矢量。

将船舶高速移动周围环境三维场景模型顶点的$ G $值，按照从大到小的顺序排序，排序靠后的点即低频信号顶点。构建船舶高速移动周围环境的三维模型时，选取低频的顶点作为控制顶点，能快速勾勒出海洋环境的大致形状，去除不必要的细节。利用高频顶点突出船舶本身的局部细节特征，刻画船体的纹理、窗户等细节，使船舶高速移动时呈现逼真的外观，增强虚拟现实场景的沉浸感。

1.2.2 基于QEM的网格简化算法

确定控制定点后，选取二次误差度量（Quadric Error Metrics，QEM）的网格简化算法，确定船舶高速移动周围环境的三维场景模型构建时的最佳塌陷边。对于船舶高速移动周围环境三角形网格中的顶点$ b $，用$ \boldsymbol Q $表示其对称误差矩阵。利用二次项形式$ \Delta (b) = {b^{^{\text{T}}}}{\boldsymbol Q}b $表示三角形网格顶点$ b = {[{b_x}\;{b_y}\;{b_z}\;1]^{\text{T}}} $的误差，其中，$ \Delta $表示塌陷代价变量。顶点是原始船舶高速移动周围环境三角网中，一环邻域内三角面集的交点。设置该顶点至三角面集内平面的距离平方和作为顶点误差的表达式如下：

$ \Delta (b) = \Delta {[{b_x}\;{b_y}\;{b_z}\;1]^{\text{T}}} = \sum {{{({p^{^{\text{T}}}}b)}^2}} 。$

(4)

式中：$ p $为三角平面方程的常系数矩阵。

对式(4)进行矩阵变形运算，表达式如下：

$ \Delta (b) = \sum {{b^{\text{T}}}} (p{p^{^{\text{T}}}})b = {b^{^{\text{T}}}}(\sum {\boldsymbol{E_p}} )b。$

(5)

式中：$ \boldsymbol{E_p} $为二次基本误差矩阵，$ \boldsymbol{E_p} = p{p^{\text{T}}} $。

对顶点周围全部三角面的$ \boldsymbol{E_p} $矩阵求和，获取二次误差矩阵$ \boldsymbol Q $。选取具有最小塌陷代价的边进行塌陷处理，直至不再包含可塌陷的边。QEM算法能够实现船舶高速移动周围环境三维场景模型的轻量化处理。通过计算顶点误差矩阵，选择合适的边进行塌陷，减少三角面数量，降低模型渲染的计算量，提升虚拟现实场景中的加载速度和渲染效率，确保船舶高速移动时场景智能仿真的流畅性。

1.3 船舶高速移动周围环境智能仿真开发框架

基于虚拟现实技术构建船舶高速移动周围环境智能仿真的开发框架如图1所示。基于虚拟现实技术构建的船舶高速移动周围环境智能仿真的开发框架主要包括场景建模模块、三维视景引擎模块以及模型库3部分。由船舶3D建模和环境场景建模2部分组成场景建模模块。利用场景建模模块对船舶及其高速移动时的周围环境进行外观以及物理建模。采用3D Studio Max软件进行船舶船体建模。选取Unigine平台作为船舶高速移动周围环境场景的智能仿真平台。Unigine平台是基于虚拟现实技术的实时3D渲染引擎，用于创建逼真的虚拟场景和交互体验。Unigine平台通过加载3DS模型、FBX模型等不同格式的模型，结合地形模型构建具有沉浸感的虚拟船舶高速移动周围环境，实现虚拟现实场景展示和交互。利用模型库存储船舶高速移动周围环境智能仿真的地形模型与3D模型。

基于虚拟现实技术实现船舶高速移动周围环境智能仿真的主要流程如下：

1）利用第三方插件，将所构建的船舶船体及高速移动时的周围环境模型，导入至Unigine平台。

2）利用Unigine平台，对输入的三维模型进行场景编辑，获取船舶高速移动周围环境三维模型的初始配置文件。

3）结合Blinn-Phong光照模型模拟船舶高速移动周围环境的光影效果。

4）利用Unigine平台的API程序接口对三维模型进行二次开发，完成船舶高速移动周围环境场景的绘制、管理以及视点控制，实现船舶高速移动周围环境智能仿真。

利用3D建模软件创建和处理虚拟场景中的模型及地形，经过加载进入Unigine引擎进行整合和渲染，最终呈现出船舶高速移动周围环境的虚拟现实视景效果。

2 仿真测试

为了验证所研究方法对船舶高速移动周围环境的智能仿真性能，将该方法应用于船舶驾驶培训中。开发采用Intel Core i7 16GB内存HDD存储的高性能计算机，选取某YU MING船舶作为仿真对象以3D Studio Max建模，基于Unigine引擎开发框架。该船舶的参数设置如表1所示。

采用本文方法构建该船舶的三维网格模型，并对其进行简化。可知，本文方法能够利用虚拟现实技术构建船舶的三维网格模型，并对三维网格进行简化。通过网格简化实现船舶三维网格模型的轻量化处理，为后续的智能仿真操作提供依据。

采用本文方法利用虚拟现实技术，构建船舶高速移动时，部分船体及其周围环境的三维场景模型如图2所示。可知，本文方法利用虚拟现实技术，能够有效构建船舶高速移动场景下，船舶及其周围环境的三维场景模型。所构建的船舶三维模型有效呈现了其纹理信息，海洋环境模型不仅模拟了船舶移动的海洋场景，同时考虑了船舶移动时海洋环境的光影变换。本文方法利用虚拟现实技术渲染所构建的三维模型，能够有效模拟船舶高速移动场景下的真实环境，逼真度较高。

采用本文方法利用所构建的船舶高速移动周围环境的三维模型进行智能仿真。可知，本文方法能够有效利用虚拟现实技术构建的船舶及其环境模型，进行船舶高速移动周围环境的智能仿真。仿真结果能够模拟船舶航行时的真实环境，为船舶驾驶时的应急决策等应用提供可靠的依据。

为了进一步验证本文方法对船舶高速移动周围环境的智能仿真性能，统计利用虚拟现实技术所构建三维模型时的三角形数量及顶点数量，统计结果如图3所示。实验结果可以看出，本文方法在针对船舶高速移动周围环境进行智能仿真时，所构建三维模型的三角面和顶点数量均较少。较少的三角面和顶点数量表明，计算机仅需要少量的工作，即可完成智能仿真工作。三角面与顶点数量越少时，场景渲染的元素数量越少，能够实现高保真场景与高效渲染的平衡。实验结果验证，本文方法能够为用户提供舒适与平稳的漫游体验，提升场景的智能仿真性能。

3 结　语

1）模型构建与轻量化处理：采用二维半切片法建立了船舶高速移动的数学模型，并结合Delaunay三角网方法与QEM网格简化算法，实现了三维场景模型的高效构建与轻量化处理。实验结果表明，该方法显著减少了模型的三角面与顶点数量，在保证视觉效果的同时提升了渲染效率，达到了高保真场景与高效渲染的平衡。

2）虚拟现实技术的应用：基于Unigine引擎的开发框架，结合Blinn-Phong光照模型，实现了船舶及周围环境模型的逼真渲染。通过模拟复杂海洋环境的光影变化和动态效果，增强了虚拟场景的沉浸感，为驾驶员提供了真实的航行体验。

3）仿真性能验证：仿真测试表明，所构建的三维模型能够有效模拟船舶高速移动时的真实环境，且模型轻量化后显著降低了计算负载，确保了场景漫游的流畅性。该方法在船舶驾驶培训中的应用验证了其可行性和实用性。

4）技术优势与创新：本文将虚拟现实技术与智能仿真技术深度融合，克服了传统二维模拟系统在复杂环境表现上的局限性，为船舶航行安全与高效运行提供了新的技术手段。