基于虚拟现实的舰船火灾消防系统设计与实现

作     者：俞俊程 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王卫东

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：虚拟现实 火灾消防 粒子系统 LOD 

摘      要：舰船火灾消防是舰船安全的重要保障之一,为了保证舰船人员的安全,为了在舰船发生火灾时能及时并且迅速的对舰船火灾进行正确的处理,对舰船人员的训练必不可少。但传统的在真实场景中的训练方式不仅花费大量的人力和财力,而且训练效率和人员安全也得不到保证。所以需要一种新的训练方法来弥补传统消防法训练方式的不足。利用虚拟现实技术,实现虚拟场景中的消防训练既能减少训练所花费的时间和资金,也能保障训练人员的安全提高效率,这种方法是对传统消防训练方法的一次新的突破。本文设计的虚拟舰船火灾消防系统,通过模拟舰船人员在发现舰船发生火灾之后行动来对舰船人员进行训练。本文系统首先利用三维建模软件3DsMax搭建了舰船场景、舰船控制室的模型以及消防设施的模型,同时利用粒子系统实现了火焰、烟雾等不规则物体的模拟。在本文系统中用户可以控制虚拟人物在场景中进行第一人称视角的虚拟漫游漫游,可以通过键盘按键控制在甲板可视范围内的随机位置生成火焰。在生成火焰之后,用户可以选择甲板上不同的消防设施来进行灭火操作。同时本文还设计了主控室来监控舰船的整体状态,用户可以通过甲板上的虚拟门户进入主控室,在主控室中的显示器上可以查看当前舰船的整体状况,若是主控室发生火灾,用户可以通过消防按钮控制消防管道进行灭火。另外本文系统还对生成火焰的时间、用户完成灭火的时间等信息进行存档,在下一次启动系统时可以读出上次用户训练的具体信息。本文在利用粒子系统对火焰等不规则物体进行模拟的过程中,对火焰涡流现象的模拟方法进行了深入研究和分析,在传统利用火焰粒子螺旋运动模拟火焰涡流现象的基础上,提出了一种基于矢量场的火焰涡流模拟方法,该方法利用矢量场和GPU粒子代替传统的CPU粒子进行火焰涡流的模拟,减少了粒子系统所占用的内存空间,加快了粒子吸引的渲染速度。另外本文还利用LOD技术对粒子系统进行优化,针对复杂粒子系统,提出了一种基于视点和模型重要性的粒子系统LOD算法,该方法在传统LOD算法的基础上,增加了模型重要性作为判断何时调用精简模型的依据,取得了较为理想的效果。本文最终实现的基于虚拟现实的舰船火灾消防系统模拟了舰船人员进行火灾消防的过程,用户可以更加直观的进行消防训练,同时也是虚拟现实技术在舰船火灾消防方面的一次尝试,为以后的研究提供了便利,具有较大的实用性和参考价值。