LNG船舶货控室轻量VR设计与实现

2023年11月30日发(作者：)

第29卷 第4期船 舶 物 资 与 市 场

2021年4月MARINE EQUIPMENT/MATERIALS & MARKETINGApr.2021

Vol.29 No.4

［引用格式］李二强,唐元元,王君琪,等.LNG船舶货控室轻量VR设计与实现[J],船舶物资与市场,2021,(4):21-24.

LNG船舶货控室轻量VR设计与实现

李二强，唐元元，王君琪，孙晨曦，韩 亮

11222

（1.大连海事大学 轮机工程学院, 辽宁 大连 116026；2.青岛海事局董家口海事处, 山东 青岛 266400）

摘 要 ：

为了让虚拟场景能够在移动终端等轻量化设备中运行以方便PSCO的认知培训和提供辅助检查支持，采用3D建模技术、渲

染技术和全景技术实现LNG船舶货控室在手机端的虚拟。在无法直接获取真实场景全景图像的情况下，使用3D建模技术重新建立

了LNG船舶整个货控室中的设备和物件的三维模型，结合使用V-Ray渲染技术输出了LNG船舶货控室的全景图像。通过全景VR

编程软件实现了LNG船舶货控室的虚拟现实。除了常规的上下左右前后场景操作功能外，还实现了知识点的显著标识，检查要点、

检查规范的快速查询，检查对象的图片展示等功能。全景VR对带宽资源和计算资源的要求不高，基本上可以满足PSCO的认知培训

和辅助检查支持。

关键词：

LNG船舶；虚拟现实；仿真系统；货控室

中图分类号：文献标识码：

U676.4 A DOI:10.19727/c.2021.04.010

0 引言

随着LNG船队的逐渐壮大，LNG船舶的安全营运是一

个不容忽视的问题。船队船况与PSCO的业务素质密切相关。

虚拟现实（VR）技术的迅速发展，在深入融合到PSC检查中，

发挥了岗前培训、随时随地培训的重要作用。前期的VR技

术在人员培训中的应用主要以构建真实场景的3D模型，并在

高性能计算机上的展示和操作为主，称此种形式为3D VR。

这种培训系统对计算能力需求极大，无法在移动终端运行。

而移动终端的便携、多功能、高速通信的特点，使得人们对

于培训系统的移动终端需求越来越强烈。为此，采用全景VR

技术实现培训的移动化和轻量化，以用于PSCO的认知培训

和现场辅助检查。

全景VR主要采用360°全景图片，通过一定的图像拼

接和缝合算法，在有限的可视范围内，为用户展示水平和垂

直360°的全范围情景。其底层技术图像拼接和缝合算法的

研究较活跃。Oliveira, A.等

[1]

在采用与多个小透镜光场相关

的子孔径图像的拼接基础上，提供了小透镜光场全景创建解

决方案。Manjula G. B.等

[2]

重点介绍基于特征的图像拼接技

术，分析了不同的算法，并以容器为例进行了算法优化和图

像拼接。Laraqui, A.等

[3]

提出了一种新的多尺度图像预处理

方法，能够不随比例尺变化而变化，并基于SIFT检测到的匹

配点之间的距离。Ji, X. Y.等

[4~6]

提出了一种应用于无人机图

像拼接全景图的新方法，以解决图像特征算法存在较长的处

理时间、拼接连续图像时较大的累积误差、拼接缝色差过渡

不均匀、图像倾斜扭曲及效率低的问题。全景技术目前已经

获得了广泛的直接应用和二次开发应用

[7~10]

。

本文以货控室为研究对象，以PSCO的认知培训和提供

辅助检查支持为研究目标。

1 设计思路

通常的全景VR开发是通过设备拍摄得到全景图，再通

过全景处理软件将全景图呈现给用户。用户通过与软件交互

可以拉近、推远、上下、左右转动场景，实现场景的水平和

垂直360°的全空间查看

[11~14]

。本研究参考的母型船为一艘

先进的17.4万方LNG船舶。本研究中仅使用LNG船舶的货

控室作为研究对象。由于无法再次登船使用专业全景设备拍

摄，因此本研究采用之前建立的三维模型渲染出全景图，再

通过专业的全景制作工具完成具有更多功能的全景VR开发。

此系统主要面向PSCO的LNG船舶认知培训和辅助现场检查。

在功能上，设计目标的核心功能包括：针对场景的检查项目

显著标识、检查项目的检查要点标识、相关规范要点支持、

相关影像内容支持、培训语音内容支持。辅助功能包括菜单

控制、布局空间优化功能、使用优化功能等。

全景VR设计目标可在电脑端浏览器和手机端浏览器运

行，整体的布局情况如图1所示。在界面的最下端布置最常

用的场景控制功能：控制菜单和场景缩略图区。右上方布置

辅助控制功能菜单，如场景漫游、帮助菜单、二维码等。左

上方布置的也是辅助功能菜单，如规范资料、设备图片等。

收稿日期：

2021-03-04

作者简介：

李二强（1996-），男，硕士研究生，研究方向为船舶电力推动。

· 22 · 船舶物资与市场第29卷 第4期

控控

制制

菜菜

单单

触摸与显示区

区区

场景缩略图区

控制菜单区

图1 全景VR功能与布局设计

为了优化利用手机端空间，在功能上将不需要使用的功

能菜单予以隐藏，仅在需要时予以显示。如底部的场景控制

功能菜单，采用两级显示折叠设计。在底部菜单控制区有按

钮可以控制第一级折叠，实现切换场景缩略图的显示与否。

在底部控制区还有按钮控制第二级折叠，实现底部控制菜单

和切换场景缩略图的共同显示与否。在常规的场景浏览模式

下，右侧的菜单控制区不会显示出来，仅在热点处唤起时才

出现，使用结束后又再次关闭。通过这样的方式可以优化有

限的手机端空间，对于电脑端，此种优化的意义并不明显。

2 全景开发实现

2.1 模型开发

货控室的3D模型根据实船照片和图纸开发，建模工具使

用3ds Max。在货控室中，建立的设备模型包括：货物控制

台、电线、气体报警控制箱、远程控制箱、声力电话、显示器、

时钟、鼠标、键盘、货控系统软键盘、红色按钮、白色按钮、

绿色按钮、保护罩按钮、万转开关、空调旋钮、干粉灭火器、

警示标牌、显示标牌、日光灯、火灾探测器、音响、窗、窗帘、

中央空调送风口、CCTV控制器、VHF、SPEED LOG、风速表、

图2 货控室3D模型图4 货控室对象的局部渲染效果图

应急报警面板、液位表单元、UHF单元、应急停旋钮、SSL

控制柜、独立电脑、打印机、写字白板、轮式桌椅、长条椅、

立式空调、门、把手、天花板、地板、插座等。开发完的货

控室模型的整体效果及设备的局部效果如图2所示。

2.2 模型渲染

使用3ds Max进行3D模型影响的是真实对象的外观结构

完整性、比例协调性。但是对象的逼真程度除了3D模型的

影响外，还很大程度上受材质特性影响。为了获得高质量和

高度逼真的3D模型。建立的3D模型在V-Ray中进行材质渲

染。

图3所示的是货控室中货控台中使用的木质材质贴图和

钢制材质的纹理贴图。这些贴图用于材质球上，调整出接近

实际情况的对象材质效果。

(a)木制材质贴图（b）钢质材质纹理贴图

图3 货控室中3D模型的材质贴图

模型的渲染使用非常高的制作标准，确保无论从整体上

的大面看还是从局部细节看都真实的表现出实际的场景和光

照情况。为了清晰地看到3D模型渲染得到的细节，图4给

出了货控室中货控台的局部渲染纹理图。可以清晰地看到渲

染引擎中渲染出来的货控台柜体，非常逼真地表现了实际控

制柜表面由于油漆的不均匀导致的明显纹理特性以及背景窗

帘的褶皱和阴影细节。

在为货控室中的全部三维模型添加和调整完材质后，送

入渲染引擎中进行全景渲染。图5所示的是最终渲染出的货

控室全景图。货控室整体效果非常接近真实，设备的外形和

材质效果和实际情况近乎一致，并且能够真实地反映实际对

第4期李二强，等：LNG船舶货控室轻量VR设计与实现· 23 ·

象之间的相互影响关系。如从图5中可以清晰地看到由于灯区域，并将自身隐藏。然后显示折叠按钮，为再次折叠做准备。

光照射对象而在地板面上产生的阴影效果。

图5 货控室全景图

3 程序开发实现

3.1 功能开发

此全景VR系统主要面向LNG船舶的PSCO培训和现场

辅助检查使用进行的前期研究。核心功能实现围绕货控室的

检查要点及相关支持功能开发。程序功能开发由按钮的各类

事件构成程序中各个对象之间的逻辑关系。常用的事件包括

程序初始化、按钮的鼠标点击、鼠标进入、鼠标移出等事件。

各类按钮的属性构成程序中按钮的外观特性，如形状大小、

布局位置、形状图片外形等。程序开发中涉及的按钮种类和

数目较多，在此仅以折叠和展开按钮的程序功能作简单说明。

折叠和展开按钮的程序功能如表2所示。

表1 折叠按钮功能

参数名称参数值

位置属性底部中间对齐

位置120，23

尺寸30，30

初始化事件显示按钮

点击事件隐藏底部按钮，全景预览，折叠按钮。显示展开按钮。

表2 展开按钮功能

参数名称参数值

位置属性底部中间对齐

位置120，23

尺寸30，30

初始化事件隐藏按钮

点击事件显示底部按钮，全景预览，折叠按钮。隐藏展开按钮。

在初始化时，底部按钮和全景预览区域全部显示，此时

折叠按钮显示而展开按钮隐藏。点击折叠按钮时，将底部按

钮和全景预览区域隐藏，并将自身隐藏。然后显示展开按钮，

为展开做准备。点击展开按钮时，显示底部按钮和全景预览

3.2 SKIN开发

皮肤开发是软件设计和开发中的一项重要的工作。根据

设计的功能需求，本研究一共梳理了20种图标，如图6所示。

这些图标分别为单位标志、小标题项目列表开关键、场景切

换预览开关键、答疑图标、VR眼镜图标、重力感应图标、便

签具体内容的开关图标、视觉所在位置图标、平面图缩小放

大的图标、声音开关图标、场景平面地图图标、点赞图标、

有关多少人观看的图标、登录账号的图标、查看更多全景课

件的图标、运动镜头图标、场景文献图标、二维码图标、可

写建议的便签图标、小标题证书图片图标。

图6 设计的皮肤图标

在初期开发出来的第一版软件中发现，当手机端和电脑

端使用相同的皮肤时，会导致要么手机端的按钮过大、要么

电脑端的按钮过小。为了解决这个问题，分别针对手机端和

电脑端制作了2套不同尺寸的皮肤。同时软件可以根据当前

使用的终端类型自动切换皮肤类型，以达到更加友好的交互

体验。

3.3 网络部署

为了实现全景VR在因特网中的访问，本系统部署于实

验室的轮机虚拟仿真训练平台，作为虚拟仿真系统中的轻量

化虚拟仿真系统，此训练平台服务器为租赁的云服务器。后

台服务器和前端网页承载实验室研发的虚拟仿真系统。在虚

拟仿真系统的前端网页基础上，开辟一栏作为全景VR系统

的链接入口。在服务端则将开发的全景VR系统网页文件放

入指定位置即可。在全景VR的开发工具中可导出多种形式

的发布文件，这里选择的是网页文件。由于有之前的基础，

此部分的网络部署工作较为容易。

4 完成效果

此全景VR可在电脑端和手机端浏览器中访问和使用。

· 24 · 船舶物资与市场第29卷 第4期

最终LNG船舶货控室的全景VR在电脑端和手机端的效果如

图7所示。可以看到，全景VR中的控制按钮很好地适应了

手机端界面的长条形显示比例和电脑端窄宽型的显示比例。

由于手机端显示图片和电脑端显示图片的缩放程度不同，看

到的手机端按钮比电脑端按钮更大。实际上，电脑端按钮比

手机端按钮更大。

图7 货控室全景VR完成效果

5 结语

以LNG船舶货控室为虚拟对象，使用3ds Max建模技术

和V-Ray渲染技术创建了货控室的全景图，并在全景VR制

作工具中，完成了具有面向LNG船舶PSCO认知培训和辅助

检查功能的全景VR系统。从VR系统的开发情况看，全景

VR基本上可以满足PSCO的认知培训和辅助检查支持。从

VR系统的使用情况看，全景VR体积小对网络带宽资源和终

端计算资源的要求不高，普通4G手机终端均能良好地响应。

全景VR系统在轻量化虚拟现实系统中是非常好的实践尝试。

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