[发明专利]一种基于GPU的动力定位船舶三维视景仿真系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于GPU的动力定位船舶三维视景仿真系统及方法。采用3D MAX建立动力定位船舶行驶环境的三维实体模型，如：动力定位船舶、海洋平台、灯塔，其他船舶等；采用Multigen Crertor建立风、浪、流以及晴天、雨天、阴天等海洋场景的建模；通过三维仿真引擎Vega Prime进行仿真渲染，在GPU上进行渲染加速处理，采用C#语言实现场景驱动；最终实现了船舶动力定位模拟器视景仿真系统中所需要的真实场景的仿真。

技术领域

本发明属于船舶自动化与三维视景仿真交叉领域，具体涉及一种基于GPU的动力定位船舶三维视景仿真系统及方法。

背景技术

传统锚泊定位方式已经不能满足现代海洋装备作业的需求，动力定位系统（Dynamic Positioning System ,DPS）应运而生，具有适应能力强，不受水深限制、定位准确、操作方便等优点，已广泛应用在海洋半潜船钻井平台、海上作业船舶、水下潜器等各种海洋工程装备上。

随着动力定位船舶的数量激增，经过专业培训的动力定位操作员必不可少。培训一名合格的动力定位操作员需要完善的培训设备，动力定位模拟器就是培训动力定位操作员的主要设备。在一套船舶动力定位模拟器系统中，三维视景显示占据着重要的地位。

三维视景显示的最终效果决定着动力定位模拟器的沉浸感、交互性、构想性，影响着动力定位培训的效果。三维视景仿真技术是在数值仿真的基础上，结合了计算机技术，图形处理技术，光学技术，控制技术等多种高科技，对现实世界或者是人类想象的虚拟世界进行三维建模并实时驱动，通过显示器或者三维投影技术显示出来。

学员通过动力定位模拟器，不仅可以在不操作实船设备的前提下进行反复练习，还可以模拟实现实船中不允许或在极端条件下才发生的各种临界操作、故障排查等功能，提高学员的相关操作水平和临场应变能力。因此，构造仿真对象的三维模型并再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果，对于船舶动力定位模拟器具有重要的意义。所以设计一种合理高效的船舶动力定位模拟器三维视景仿真方法具有重要的意义。

在现有的三维视景可视化方法中，专利CN 104090497B用于海洋工程领域的动力定位系统仿真系统及其工作方法所述的仿真系统包括虚拟仿真平台、显控台、数字仿真平台和数字投影装置。虚拟仿真平台通过Vega程序设计运行三维海洋虚拟仿真环境场景，其中仿真环境场景利用Creator软件建立三维虚拟模型，采用三维动画和历时曲线形式完成三维视景的可视化。

现有技术只是采用单一的Creator三维建模软件进行模型的建立，建模效果有一定局限性，对于三维海洋场景采用Vega进行仿真，执行效率较低，功能不够强大，界面和平台兼容性有待提高。利用这种方法进行仿真没有从整体上来考虑，于是在物理上很难反映出一个复杂系统的多场景的任务仿真，同时也无法实现视觉上的真实感，会影响给人以虚拟环境的真实感与实时性，使得船舶动力定位模拟器的培训效果大大降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于GPU的动力定位船舶三维视景仿真系统及方法，可以弥补现有三维视景仿真方法的不足，实现了基于物理行为仿真的高度逼真且更具实时性的场景环境的建立，且使得视景仿真更具交互性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于GPU的动力定位船舶三维视景仿真系统，包括数据库模块、海洋平台及船舶建模模块、动力定位传感器处理信息模块、运动控制模块、实体与海洋场景仿真模块、GPU加速渲染模块、C#后台调用与驱动模块、动力定位效果显示模块；

所述数据库模块，通过相关设计图纸和实地物体测量的数据获得实物包括外观、几何形状的数据，对采集到的数据信息进行转换、整理和存储；

所述海洋平台及船舶建模模块，根据动力定位船舶行驶环境的需要，采用3D MAX软件按照三维建模的方法，构造出包括本船，目标船，海洋平台，灯塔的环境所需多样化的参照物模型；而后，采用三维建模软件Multigen Crertor构造包括近海岸、风、浪、流以及晴天、雨天、阴天的海洋场景模型；