基于Web3D的虚拟船舶电站操控模拟器研究

论文摘要

船舶电站模拟器是轮机模拟器的重要组成部分,使用它对学生或者船员进行培训,能够增强实际操作能力。随着虚拟现实技术、计算机及网络技术的飞速发展,基于Web的仿真以其方便、廉价、便于升级等优势越来越受到用户的青睐,并在国内外的许多领域都有所突破。目前,虚拟现实技术在轮机模拟器中尚未有成熟的案例可供借鉴,本文选取船舶电站模拟器为研究对象,旨在做探索性的研究。用户通过Internet来观察三维图像及实时互动时,由于数据不是从本地硬盘中读取,运行环境也各不相同,传统的解决办法只能是在Web服务器端生成图像,再一幅幅地传给客户端显示,由于网络带宽的限制,这种方法很难满足网络在线三维图形开发的需要。本文提出大型在线虚拟现实技术的VRML(Virtual Reality Modeling Language)三维场景及其交互方法。其基本思路是:1)制作机舱中各机电设备的VRML矢量三维数字化模型;2)通过脚本程序接口建立各机电系统控制数学模型,以驱动三维虚拟场景的动作;3)通过网络传输模型文件,下载后在本地计算机上用VRML浏览器进行实时渲染,显示具有交互性的三维图像和图像动画。本课题以一条2700TEU集装箱船舶电站为原型,利用VR(Virtual Reality)技术制作了船舶电站配电屏及辅助柴油发电机组、应急发电机组、轴带发电机组的三维可视化模型,利用真实的数学模型控制三维场景,结合多媒体的声、光、文字注释等手段,制作了“集美大学轮机工程学院船舶电站虚拟操纵系统”,并通过Apache用Web站点发布,在互联网上真实的再现了船舶电站模拟器场景。用户随时随地登录服务器,以个人计算机为中心,以显示器为观察窗口,无需昂贵的专用设备(如数据手套、头盔),仅借助鼠标和键盘控制自己的视点和视角,就可以对虚拟场景进行全方位的浏览和交互,实现虚拟场景的动态漫游和实时交互。通过声音、文字、视频等辅助性的手段,形象地介绍船舶电站系统的部件、功能及各评估项目的操作过程等,如重载时的声光报警、机舱的声音及海浪、海鸥的声音等。一些常规操作的操作步骤均以视频及文本的形式挂在网页上,可供用户随时查看。通过将虚拟场景与数据库相连,可以保存用户的所有操作记录,以供教师对用户的操作情况进行检查及评判。系统管理员和教师用户还可以根据实际情况随时随地在线修改或制作、上传虚拟场景模型及数学模型,也可以添加已做好的各种.wrl格式的虚拟场景文件及数学模型,使系统具有扩展性、功能具有伸缩性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 本课题研究的必要性
• 1.2 船舶电站模拟器的分类及存在的缺陷
• 1.3 第三代模拟器及其特点
• 1.4 国内外研究动态
• 1.4.1 国际上船舶电站模拟器的现状
• 1.4.2 国内船舶电站模拟器的现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 船舶电站
• 2.1 船舶电站的组成
• 2.1.1 电源
• 2.1.2 配电装置
• 2.1.3 电力网
• 2.1.4 电力拖动负载
• 2.2 船舶电站的操作过程
• 2.3 船舶电站的运行特点
• 2.4 船舶电站的运行要求
• 2.5 船舶电站的相关规范要求
• 第三章 第三代模拟器的开发环境
• 3.1 VRML 概述
• 3.1.1 VRML 的历程
• 3.1.2 VRML 的工作原理
• 3.1.3 VRML 的特性
• 3.1.4 VRML 浏览器插件的选择
• 3.2 虚拟场景模型的建立
• 3.2.1 利用VRML 的建模方法
• 3.2.2 3DS MAX 建模
• 3.2.3 Web3D tools
• 3.3 交互的实现
• 3.3.1 VRML 自身交互功能的实现
• 3.3.2 通过脚本编程实现交互
• 3.3.2.1 Script 节点的编程
• 3.3.2.2 JavaScript 语言在Script 节点中的应用
• 3.4 服务器、HTML、VRML 与数据库结合的基本原理
• 3.4.1 搭建服务器端运行环境
• 3.4.2 脚本语言
• 3.4.3 使用PHP 对MySQL 数据库进行操作
• 3.5 系统架构
• 第四章 第三代船舶电站操控模拟器的实现过程
• 4.1 系统介绍
• 4.2 三维图形及场景模型
• 4.2.1 场景建模
• 4.2.2 三维图形建模
• 4.3 数学模型
• 4.4 交互性控制技术
• 4.5 视点的加入与自动漫游的实现
• 4.6 数据库的连接
• 4.6.1 HTML 网页与VRML 文件的结合方法
• 4.6.2 使用PHP 对MySQL 数据库进行操作
• 4.6.2.1 建立数据库的连接
• 4.6.2.2 数据操作
• 第五章 文件的优化
• 5.1 3D Studio MAX 文件的优化
• 5.2 VRML 文件的优化
• 第六章 移动Agent 的设置
• 6.1 移动Agent 的定义
• 6.2 移动代理的主要特点
• 6.3 移动Agent 系统的结构
• 6.4 移动Agent 系统的优点
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 在学期间发表的学术论文