專利名稱：：一種用于航海模擬器視景系統(tǒng)的助航燈光實時仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實與航海技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種用丁航海模擬器視景系統(tǒng)的助航燈光實時仿真方法。
背景技術(shù)：
：隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實與航海技術(shù)也緊密結(jié)合在一起，如以航海模擬器視景系統(tǒng)形式表現(xiàn)出來的虛擬環(huán)境仿真，就具備這種虛擬現(xiàn)實結(jié)合航海技術(shù)的典型特點。國際海事組織(IMO)海員培訓、發(fā)證和值班標準國際公約(STCW78/95公約)對航海模擬器的視景部分有相應(yīng)的要求，其中第B—I/12第37段中要求"夜間從駕駛臺看到真實視景"，就是要求燈光能顯示，并且這種燈光的顯/下要真實，與實際的燈光信息致。英國航運安全委員會(MSA)依據(jù)STCW78/95公約對航海模擬器的認證細則中視景部分的19款要求"航行燈、航行標志和岸上特征應(yīng)根據(jù)海圖信息顯示正確的顏色和特征"。國際著名船級社挪威船級社(DNV)指出航海模擬器的夜景燈光顯示要與國際海上避碰規(guī)則要求的一致?！?972年國際海上避碰規(guī)則》第三章中對號燈的定義、號燈的顯示時間、可見距離，不同類型不同大小船舶在進行不同性質(zhì)的作業(yè)時所顯示的號燈均有詳細的規(guī)定。隨著計算機技術(shù)和圖形學的發(fā)展，航海模擬器的視景系統(tǒng)已能較為真實地模擬船舶的虛擬航行環(huán)境。但是，對助航標志燈光的仿真還不夠真實，不能精確控制助航標志燈光的各種狀況。要想使助航標志燈光能夠按照海圖上標注的信息正確發(fā)光，需要解決以下二個問題助航標志燈光如燈塔、燈浮和燈樁可見距離的保障方法，助航標志燈光閃爍規(guī)律的控制方法，以及航行燈可見范圍的計算與顯示方法。進一歩考察可以發(fā)現(xiàn)，當燈塔或燈浮距離本船較近時，助航標志燈光都能夠按照海圖上標注的信息正確發(fā)光，船舶駕駛員和引水員可以利用燈光信息來導航或能看清它船的航行燈而進行正確的操縱和避碰。然而，隨著距離的增加當這些助航標志的發(fā)光部件在計算機屏幕上的投影小于一個象素時，燈光就不再在屏幕上顯示出來了。而事實上這些燈光還在可見距離內(nèi)，所以還需要研究助航標志如燈塔、燈浮和燈樁的可見距離保障方法，來保證這些燈光能在其可見距離內(nèi)得以正確顯示。此外，由于助航標志燈光是按照海圖上標注的信息進行顏色和閃爍時間控制的，所以還需要提供助航標志燈光閃爍規(guī)律的控制方法。航行中的船舶是通過觀察它船的航行燈來判斷本船與它船的相對位置的，故需要提供航行燈可見范圍的計算與顯示方法。因此必須提供一種用于航海模擬器視景系統(tǒng)中的助航標志燈光仿真方法，使助航標志燈光能夠按照海圖上標注的信息正確發(fā)光，以滿足相關(guān)公約和標準的要求。國內(nèi)外一些研究機構(gòu)和公司一直在研究助航燈光的仿真方法。在國內(nèi)，上^T海事大學的衛(wèi)家駿提出了利用中版《航標表》和海圖求燈標的最大可見距離的方法[1];孫埏對航海學中有關(guān)燈塔最大可見距離進行了探討P];金一丞和尹勇對航海模擬器視景中夜景和霧景進行了研究[3，提出了在800X600分辨率下的助航燈光可見距離計算方法以及航行燈可見范闈的計算與顯示方法。在國外的相關(guān)文獻中，目前還沒有找到相關(guān)的研究成果。對上述文獻所涉及的研究成果作認真分析后可發(fā)現(xiàn)，當前的航海模擬器中助航燈光的仿真方法尚存在如下缺陷1、沒有形成一套完整的航海模擬器中助航燈光的實時仿真方法，不同的研究人員僅對其中某個具體的問題進行了研究；2、目前視景顯示幾乎無一例外地采用光柵掃描設(shè)備，要想在屏幕上顯示一個物體，必須保證讓經(jīng)過一系列變換以后該物體的圖形能覆蓋屏幕上至少--個象素。采用固定大小燈光幾何模型繪制燈光，當上述條件不滿足，而燈光與本船的距離尚在可見距離內(nèi)時，助航標志燈光將無法顯示；3、文獻[1,2]描述的燈標可見距離計算方法主要是針對實際海上燈標而言，并非航海模擬器視景系統(tǒng)中的虛擬燈標，文獻[3]提出的助航燈光可見距離計算方法可供借鑒，但尚需作部分修改；4、沒有提出助航標志燈光閃爍規(guī)律的控制方法，不能精確地控制助航標志燈光的閃爍，有可能導致視景系統(tǒng)里的助航標志燈光與海圖標注信息的不-致；5、文獻[3]描述的航行燈可見范圍的顯示方法中，光弧范圍的控制采用在燈光的周圍加燈罩的方法得以實現(xiàn)，由于燈罩的位置固定，當本船與目標船的航向偏離較大時，可能造成目標船航行燈只顯示一個細條。參考文獻金一丞，尹勇等.航海模擬器視景中夜景和霧景研究[J].大連海事大學學報，1998，24(2)，26-31.
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種用于航海模擬器視景系統(tǒng)的助航標志燈光實時仿真方法，用以解決助航標志燈光可見距離保障、燈光閃爍規(guī)律的精確控制以及航行燈可見范圍的計算與顯示問題。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下理論推導出單位體積助航燈光在視景系統(tǒng)中的可見距離，在顯示分辨率為1024X768，水平視場角為40°，垂直視場角為30°時，約為1406米，超過此距離的助航六丁光顯示需采用可見距離保障方法，即燈的幾何模型大小需根據(jù)其可見距離按比例放大，1￡巨離每增加1406米燈的幾何模型就放大一倍；對整幅海圖區(qū)域內(nèi)的助航燈光進行統(tǒng)計分類，對每一類別助航燈的閃爍規(guī)律及顏色進行配置，建立助航燈的幾何模型并設(shè)置顏色，通過繪制與不繪制控制其亮和滅的閃爍煩!f聿；確定航行燈(包括桅燈、舷燈和尾燈)的水平光弧范圍，對所有船型的各種航CP'J:了可見范圍等參數(shù)按一定規(guī)則設(shè)置到配置文件，不事先建立航行燈的幾何模型，通過計算本li]與它船的距離以及航向的夾角，判斷當前哪些航行燈可見，并根據(jù)其顏色、大小和可見范圍實時繪制自發(fā)光點。本發(fā)明的有益效果在于可解決助航標志燈光可見距離保障、燈光閃爍規(guī)律的精確控制以及航行燈可見范圍的計算與顯示問題，所采用的方法簡捷，結(jié)果可靠，實時性々子；可實現(xiàn)視景系統(tǒng)中助航標志燈光的仿真與海圖上標注的信息相一致，并滿足相關(guān)公約和t小^隹的要求。，圖1是本發(fā)明助航燈光實時仿真方法的流程圖。圖2是本發(fā)明視景系統(tǒng)定義的視見體示意圖。圖3是本發(fā)明中桅燈、舷燈和尾燈的水平光弧范圍。具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明本發(fā)明公開了一種用于航海模擬器視景系統(tǒng)的助航標志燈光實時仿真方法，圖1為該方法的流程示意圖，包括以下歩驟步驟IOI，確定視景系統(tǒng)的顯示參數(shù)，并計算單位體積助航標志燈光的可見g巨離；根據(jù)要求確定視景系統(tǒng)的顯示分辨率為1024X768，設(shè)定水平視場角為40°，垂直視場角為3(T;X方向(水平方向)每一個象素的寬度為2/1024=1/512，通過參數(shù)丄(左裁剪面)、r(右裁剪面)、t(上裁剪面)、b(下裁剪面)、n(近裁剪面)和f〔遠裁剪面)定義視見體，如圖2所示，其中1，r指定前裁剪面的左、右坐標；b、t指定前裁剪面的下；上坐標；n、f指定前裁剪面和后裁剪面距離視點的深度坐標。由于水平視場角和垂直視場角已確定，結(jié)合航海實踐選取r=7.2794，1=-7.2794，t=5.45955,b二-5.45955，nr:-20,f二38040。以下推導了單位體積大小的助航標志燈光在屏幕上投影為一個象素的可見距離。這里單位體積取邊長為1米的正方體助航標志燈，根據(jù)已建立的視見體計算透視投l^:變換矩陣，得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>某頂點經(jīng)過透視變換后的齊次坐標為(X，j/，Z，沐)=(X,AZ,W).《，展開后得到z=-十—/-《z/-w將上述參數(shù)代入計算得到z=-1406-7即將體積為1立方米的助航標志燈光在屏幕臺<上投影為一個象素的可見距離約為1407米，若用這樣的模型作為標志燈光，在其前方旨；顯現(xiàn)的最遠距離只能為1407米，超過這個距離燈光就不能在屏幕上顯示。以某港口為例，助航燈光可見距離如表一所示，故需要根據(jù)助航燈光的可見距離構(gòu)造燈光發(fā)光體的幾何模型，使其在規(guī)定范圍內(nèi)可按要求顯示并助航。表一<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>歩驟102，根據(jù)單位體積的助航燈光可見距離構(gòu)造燈塔、燈浮和燈樁的發(fā)光#:;以燈塔為例，其它助航燈與其類似。發(fā)光體位于燈塔最尖端，因此整個方去1又對其發(fā)光體進行處理即可滿足助航燈光的要求。本發(fā)明的處理方法是首先將整個燈塔的中心平移到世界坐標系的原點；然后對發(fā)光體進行比例放大；為了保證燈塔在其可見M5離能lH常顯示必須確定距離檔與放大比例的關(guān)系。由以上單位體積的助航燈光可見距離計算可知，燈光與視點的距離每增加1406米，燈光模型的幾何尺寸就應(yīng)放大1倍，故使用建模工具建立燈的幾何模型時，首先建立自發(fā)光的幾何模型，然后根據(jù)海圖上標注的可見距離計算需要將燈放大的倍數(shù)。如表一所示海圖上標注的后疊標的下部燈光可見距離為6千米，則該燈浮應(yīng)放大4.2倍，考慮到顯示的可靠性，這里選取放大5倍。將燈光幾何模型在距離超過計算顯示距離后加以放大，是基于這樣一種現(xiàn)實，人與燈距離較近時，人觀察到的是燈(包括燈罩)的外形，距離較遠時人觀察到的是該燈產(chǎn)生的光暈。實踐表明光暈的大小遠遠大于燈的幾何尺寸。所以距離較遠時將燈浮的幾何模型按比例放大是合情合理的。此外，還應(yīng)考慮從一個距離檔到另一個距離檔切換時，所顯示的燈光大小沒有明顯的突變，根據(jù)實際的視覺感受將距離檔設(shè)置在1200米至1400米之間，效果是最理想的。最后，還要將整個燈塔的中心平移回原處。使用本發(fā)明的助航燈光可見距離保障算法，駕駛員不但可以在電子海圖上看到船舶與助航燈光的相對位置，還可以在視景系統(tǒng)中對照海圖信息，準確地觀察到本船兩側(cè)由近至遠的助航燈光信息，并利用它來引導船舶安全地進出港口。歩驟103，按照海圖標注的助航燈光閃爍規(guī)則對燈塔、燈浮和燈樁發(fā)光體的閃爍時間及間隔進行控制；對整幅海圖區(qū)域內(nèi)的助航燈光進行統(tǒng)計劃分，搜索閃爍規(guī)律和燈光顏色相同的助航燈并分進行分類；分別對每一類別助航燈的閃爍規(guī)律及燈光顏色進行設(shè)置，并保存到配置文件，這里將夜間的目標模型定義為不同類別加以區(qū)分顯示0:用于晚上顯示的固定目標模型，-1:用于晚上顯示的固定發(fā)光物體模型如燈塔等，不隨潮高變化，當能見度小于20000米時，自動打開，-2:用于夜晚顯示的固定發(fā)光物體模型的底座如燈塔等，不隨潮高變化，當能見度小于20000米時，6動打幵，-3:用于晚上顯示的可動發(fā)光物體模型如浮筒等，計劃可以讓其隨潮高變化，但必須和原始模型匹配，當能見度小于20000米時，自動打開，-4:用于夜晚顯示的可動目標模型的底座如浮筒、漂浮物等，計劃可以讓其隨潮高變化，當能見度小于20000米時，自動打開。表二所示為助航燈閃爍及顏色變化規(guī)律的配置規(guī)則，如第一列名字為L14129DF-1的燈浮，首先要建立好該燈浮的幾何模型，當船舶航行到該燈浮的可見距離范圍內(nèi)時，通過載入配置文件讀取該燈浮的顏色及閃爍規(guī)律，然后設(shè)置燈浮顏色為紅色，繪制并顯示該燈浮時間為0.5秒，不繪制該燈浮時間為3.5秒，實現(xiàn)閃爍規(guī)律的控制。表二<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>歩驟104，按照國際海上避碰規(guī)則對船舶航行燈的可見范圍進行計算與顯示。海上的助航燈還包括船舶航行燈，在視景系統(tǒng)中本船根據(jù)所見到的船舶航行燈窮」斷它船的態(tài)勢，這在夜間或低能見度情況下進行避讓操作是十分重要的。本發(fā)明采用如下方1去對船舶航行燈的可見范圍進行計算與顯示旨先確定桅燈、舷燈和尾燈的水平光弧范圍如圖3所示；航行燈與其它發(fā)光物體的區(qū)別在于其光弧有一個可見范圍，桅燈的水平光弧范圍為225°，舷燈的水平光弧范圍為112.5°,尾燈的水平光弧范圍為135°;根據(jù)《國際海上避碰規(guī)則》規(guī)定船舶各類航行燈的可見距離如表三所列。表三<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>對所有船型的各種航行燈可見范圍、可見距離、燈光顏色等參數(shù)按一定規(guī)則進行設(shè)ss并保存到配置文件；實時計算本船與目標船的距離以及航向的夾角，判斷當前目標船哪些f[行燈可見，并根據(jù)距離確定繪制點時的像素數(shù)量；如當前本船只能看見目標船的尾燈，則通過讀取配置文件信息，按照該目標船的船型讀取尾燈可見距離、燈光顏色和可見范圍，在尾燈的水平光弧范圍135°內(nèi)實時繪制一個包含所計算像素個數(shù)的自發(fā)光點，這樣做的好處是既滿足了實時性又提高了效率，而且不會產(chǎn)生文獻[3]方法的亮線現(xiàn)象。根據(jù)以上歩驟，可實現(xiàn)航海模擬器視景系統(tǒng)助航燈光的實時仿真。權(quán)利要求1、一種用于航海模擬器視景系統(tǒng)的助航燈光實時仿真方法，其特征在于，該方法包括如下步驟1)確定視景系統(tǒng)的顯示參數(shù)，并計算單位體積助航燈光的可見距離；2)根據(jù)單位體積的助航燈光可見距離構(gòu)造燈塔、燈浮和燈樁的發(fā)光體；3)按照海圖標注的助航燈光閃爍規(guī)則對燈塔、燈浮和燈樁發(fā)光體的閃爍時間及間隔進行控制；4)按照國際海上避碰規(guī)則對船舶航行燈的可見范圍進行計算與顯示，實現(xiàn)航海模擬器視景系統(tǒng)助航燈光的實時仿真。2、如權(quán)利要求l所述的一種用于航海模擬器視景系統(tǒng)的助航燈光實時仿真方法，其^^征在于，所述的歩驟3)的具體實現(xiàn)方法是對整幅海圖區(qū)域內(nèi)的助航燈光進行統(tǒng)計分類，采用配置文件對每一類別助航燈的閃爍規(guī)律及燈質(zhì)顏色進行設(shè)置，船舶航行到任意助鬼V燈光的口I見距離范圍內(nèi)時通過載入配置文件進行發(fā)光控制。3、如權(quán)利要求1所述的一種用于航海模擬器視景系統(tǒng)的助航燈光實時仿真方法，其特征在于，所述的歩驟4)的具體實現(xiàn)方法是確定航行燈的水平光弧范圍，對所有船型的各種航行燈可見范圍、可見距離、燈光顏色等參數(shù)按規(guī)則設(shè)置到配置文件，通過計算本IV與它船航向的夾角，判斷出當前可見的航行燈并進行實吋繪制。全文摘要本發(fā)明公開一種用于航海模擬器視景系統(tǒng)的助航燈光實時仿真方法，包括如下步驟1)確定視景系統(tǒng)的顯示參數(shù)，并計算單位體積助航燈光的可見距離；2)根據(jù)單位體積的助航燈光可見距離構(gòu)造燈塔、燈浮和燈樁的發(fā)光體；3)按照海圖標注的助航燈光閃爍規(guī)則對燈塔、燈浮和燈樁發(fā)光體的閃爍時間及間隔進行控制；4)按照國際海上避碰規(guī)則對船舶航行燈的可見范圍進行計算與顯示，實現(xiàn)航海模擬器視景系統(tǒng)助航燈光的實時仿真。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明用于在航海模擬器的視景系統(tǒng)中，對各種助航燈光進行仿真，使其符合國際STCW78/95公約等國際海上避碰規(guī)則對航海模擬器的視景部分的相應(yīng)要求，增強航海模擬器仿真的物理真實感。文檔編號G09B9/06GK101577060SQ20091001214公開日2009年11月11日申請日期2009年6月19日優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日發(fā)明者任俊生,任鴻翔,劉秀文,孫霄峰,勇尹,張新宇,張百安,張秀鳳,李志華,偉谷,金一丞,烈馬申請人:大連海事大學