[发明专利]一种用于航海模拟器视景系统的助航灯光实时仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟现实与航海技术应用领域，具体涉及一种用于航海模拟器视景系统的助航灯光实时仿真方法。

背景技术

随着虚拟现实技术的快速发展与广泛应用，虚拟现实与航海技术也紧密结合在一起，如以航海模拟器视景系统形式表现出来的虚拟环境仿真，就具备这种虚拟现实结合航海技术的典型特点。

国际海事组织(IMO)海员培训、发证和值班标准国际公约(STCW78/95公约)对航海模拟器的视景部分有相应的要求，其中第B-I/12第37段中要求“夜间从驾驶台看到真实视景”，就是要求灯光能显示，并且这种灯光的显示要真实，与实际的灯光信息致。英国航运安全委员会(MSA)依据STCW78/95公约对航海模拟器的认证细则中视景部分的19款要求“航行灯、航行标志和岸上特征应根据海图信息显示正确的颜色和特征”。国际著名船级社挪威船级社(DNV)指出航海模拟器的夜景灯光显示要与国际海上避碰规则要求的一致。《1972年国际海上避碰规则》第三章中对号灯的定义、号灯的显示时间、可见距离，不同类型不同大小船舶在进行不同性质的作业时所显示的号灯均有详细的规定。

随着计算机技术和图形学的发展，航海模拟器的视景系统已能较为真实地模拟船舶的虚拟航行环境。但是，对助航标志灯光的仿真还不够真实，不能精确控制助航标志灯光的各种状况。要想使助航标志灯光能够按照海图上标注的信息正确发光，需要解决以下二个问题：助航标志灯光如灯塔、灯浮和灯桩可见距离的保障方法，助航标志灯光闪烁规律的控制方法，以及航行灯可见范围的计算与显示方法。进一步考察可以发现，当灯塔或灯浮距离本船较近时，助航标志灯光都能够按照海图上标注的信息正确发光，船舶驾驶员和引水员可以利用灯光信息来导航或能看清它船的航行灯而进行正确的操纵和避碰。然而，随着距离的增加当这些助航标志的发光部件在计算机屏幕上的投影小于一个象素时，灯光就不再在屏幕上显示出来了。而事实上这些灯光还在可见距离内，所以还需要研究助航标志如灯塔、灯浮和灯桩的可见距离保障方法，来保证这些灯光能在其可见距离内得以正确显示。此外，由于助航标志灯光是按照海图上标注的信息进行颜色和闪烁时间控制的，所以还需要提供助航标志灯光闪烁规律的控制方法。航行中的船舶是通过观察它船的航行灯来判断本船与它船的相对位置的，故需要提供航行灯可见范围的计算与显示方法。因此必须提供一种用于航海模拟器视景系统中的助航标志灯光仿真方法，使助航标志灯光能够按照海图上标注的信息正确发光，以满足相关公约和标准的要求。

国内外一些研究机构和公司一直在研究助航灯光的仿真方法。在国内，上海海事大学的卫家骏提出了利用中版《航标表》和海图求灯标的最大可见距离的方法^[1]；孙珽对航海学中有关灯塔最大可见距离进行了探讨^[2]；金一丞和尹勇对航海模拟器视景中夜景和雾景进行了研究^[3]，提出了在800×600分辨率下的助航灯光可见距离计算方法以及航行灯可见范围的计算与显示方法。在国外的相关文献中，目前还没有找到相关的研究成果。对上述文献所涉及的研究成果作认真分析后可发现，当前的航海模拟器中助航灯光的仿真方法尚存在如下缺陷：

1、没有形成一套完整的航海模拟器中助航灯光的实时仿真方法，不同的研究人员仅对其中某个具体的问题进行了研究；

2、目前视景显示几乎无一例外地采用光栅扫描设备，要想在屏幕上显示一个物体，必须保证让经过一系列变换以后该物体的图形能覆盖屏幕上至少一个象素。采用固定大小灯光几何模型绘制灯光，当上述条件不满足，而灯光与本船的距离尚在可见距离内时，助航标志灯光将无法显示；

3、文献[1，2]描述的灯标可见距离计算方法主要是针对实际海上灯标而言，并非航海模拟器视景系统中的虚拟灯标，文献[3]提出的助航灯光可见距离计算方法可供借鉴，但尚需作部分修改；

4、没有提出助航标志灯光闪烁规律的控制方法，不能精确地控制助航标志灯光的闪烁，有可能导致视景系统里的助航标志灯光与海图标注信息的不一致；

5、文献[3]描述的航行灯可见范围的显示方法中，光弧范围的控制采用在灯光的周围加灯罩的方法得以实现，由于灯罩的位置固定，当本船与目标船的航向偏离较大时，可能造成目标船航行灯只显示一个细条。

参考文献：

[1]卫家骏，沈淳.灯标最大可见距离的计算[J].航海技术，2006，6：8-9.

[2]孙珽.航海学中有关灯塔最大可见距离的思考[J].中国水运，2006，4(2)：179-180.