虚拟现实在船舶行业的应用实践
本文标签: 船舶行业应用 虚拟现实应用案例 Quadro NVIDIA 

　　本文主要介绍武昌船舶重工有限责任公司采用NVIDIA Quadro系列产品，将虚拟现实技术应用在船舶建造中的实践体会。其中重点介绍了Quadro专业显卡在船舶的模拟仿真、多通道同步仿真视频制作和后续异步演示中的应用情况。文章是我和e-works特约撰稿人武船严睿工程师合作撰写。

1、概述

　　船舶产品规模大，制造周期长，在激烈的市场竞争中，如何提高船舶产品质量、加快设计开发及缩短建造的周期是船舶制造业面临的关键问题，利用虚拟现实技术,对船舶建造过程加以可视化已经成为企业提高竞争能力的重要武器。

图1 大连海事教学实习船效果图

　　武昌船舶重工有限责任公司（以下简称“武船”）从2000年开始，在国内造船行业率先开展了船舶虚拟仿真方面的建设、研究与应用，并取得了一定应用成果。但随着船舶CAD建模率的不断提高，产品模型数据量不断增加，全船CAD三维建模三角面片数量均在700万以上，原有的计算机图形处理运算能力难以满足公司船舶虚拟仿真应用的需求，在处理大模型数据时，渲染时间长，宕机现象屡有发生。

　　针对船舶虚拟仿真过程中硬件能力存在的不足，武船在船舶虚拟制造体系的建设过程中，引进了以NVIDIA®（英伟达™）Quadro®(以下简称NVIDIA Quadro)专业显卡为核心的图形工作站和NVIDIA Quadro PLEX可视化图形处理系统，与企业原有多通道立体投影系统、中控系统等实现了功能集成，在招投标、建造工艺仿真和可视化展示三阶段，开展船舶多媒体异步/同步可视化仿真等方面的研究，取得了可喜的成绩，目前已在公司多个主导船舶产品上得到广泛应用。

　　2、异步仿真 拓展市场

　　所谓虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，是利用电脑模拟产生一个三维的虚拟世界，通过对视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境 。在虚拟环境下，对船舶的设计、制造、仿真、性能进行模拟，其最大优势在于：在设计阶段就能让设计人员与最终用户在虚拟空间中提前体验到产品的性能，设计人员可通过对制造过程的可视化仿真，对工艺过程提前分析评价。

　　虚拟现实技术首先应用于船舶招投标阶段的异步仿真方面。

　　在船舶开始建造之前，根据用户的需要制作出成品船的渲染图，并将其合成为视频。主要告诉船东：船在什么地方造、建造的大致过程以及建成后的外观、内装等情况。即利用虚拟现实技术将最终的成果提前展示在客户面前，给客户身临其境的感受。这个阶段主要采用异步仿真模式，通过使用Maya、3DMAXS、Division Mockup等软件完成船体的造型设计、建模、动画设计、录制分镜头动画和渲染输出、合成视频文件以及后续的音乐音效处理等多个环节。图2即为在投标阶段就提交给船东的多用途海洋工程船的仿真效果图。

图2 深潜水工作母船仿真效果图

　　异步仿真对计算机终端的GPU和CPU要求都很高。复杂模型在考虑灯光、材质等诸多因素的渲染，一般需要的时间较长，图卡的性能和整机的稳定性是顺利完成工作的关键。如：在新型VS483海洋工作平台船的建造过程中，武船用四台装有NVIDIA Quadro FX3500专业图卡的HP xw6400工作站作为虚拟现实平台的异步渲染节点，大大提高了处理大数据量场景渲染的能力，有效减少了使用MAYA,3DMAXS处理大模型数据时出现的“宕机”现象，不但缩短了渲染时间，而且提高了渲染的质量。

图3 NVIDIA Quadro FX3500产品图

　　取得这样的效果是因为Quadro FX系列高性能专业图形显卡，在着色、过滤、纹理和混合等方面的性能强劲，不但有效提高了图像清晰度，保证了视像处理的效果图像品质，而且针对MAYA,3DMAXS、Division Mockup等专业软件提供了专门的优化方案，在提高系统稳定性方面功不可没。

　　3、同步仿真 验证工艺

　　如果说在概要设计阶段，虚拟现实能让武船在招投标中领先一步，那么获得订单后的造船阶段，虚拟现实技术可帮助企业更准确、更快捷的完成订单。

　　目前，武船已经全面普及了三维CAD技术，具备了全船三维设计能力，在概要设计的基础上，造船阶段要完成对船舶各部分的三维造型，确定系统的重要细节，并将其作为同步仿真的数据来源 。如图4为VS483海洋平台工作船剖面图，图中带有详细三维模型。

图4 VS483海洋平台工作船剖面图

　　要通过三维实体验证安装工艺的可行性，原有异步仿真视频生成的方法已不足以满足要求，企业需要效率更高、更快速、更真实的同步仿真来验证设计的成果。采用了三维模型后，数据量比概要设计阶段要大得多，且多通道同步仿真时需要强大的图形处理能力和多立体影片的制作技术，在如此大的分辨率的前提下，数据处理量十分庞大，对GPU计算能力要求比前一阶段更高。

　　最初武船采用了一套SGI Onyx350 IR多通道图形显示系统，该系统在前期的多通道同步仿真制作及演示方面发挥了重要作用。但随着数字新技术的不断出现，Onyx350 IR多通道图形显示系统的模型容纳量和处理能力已不能完全满足业务需求，其1500万多边形/秒的图形处理能力已难以保证在日益庞大的船用数据条件下应用的流畅，尤其是在多通道立体可视化仿真方面。如：多通道立体播放需要一个支持多通道输出的高分辨率立体播放器及相关的硬件设备，以25帧/S的速率播出3328X1024分辨率的立体内容，同时配以声道的同步支持，其中多通道之间的同步是系统的难点。

　　针对上述问题，武船采用了以6台带有NVIDIA Quadro FX3500专业显卡的图形工作站和NVIDIA Quadro PLEX可视化图形处理系统的组合，和企业原有多通道立体投影系统、中控系统相配合，大大提高了处理大数据量场景渲染的能力。

图5 NVIDIA Quadro PLEX产品图

　　如图5所示，NVIDIA Quadro PLEX多通道图形发生系统可实现三通道带重叠带的高分辨率立体输出，采用2GPU的NVIDIA Quadro FX5800图形处理器，其几何处理能力为300兆/秒/GPU，显示内存4GB/GPU，支持G-Sync和SLI技术对几何和像素处理进行调整，其CUDA统一架构优秀的内存管理机制，可在并行图形窗口和应用程序之间有效地分配和共享内存资源。

　　对于多通道同步仿真的密集计算需求，NVIDIA Quadro PLEX可视化处理系统(VCS）在可视化运算密度方面给我们带来了惊喜，其处理效率和处理能力表现突出，能实现10240x1600/5120x3200等多种超高显示模式的实时3D渲染。而且该系统使在WINDOWS下，任意应用程序不经修改就能自动跨跃多块图形卡，解决了windows应用程序同时使用多块图形卡的问题。Quadro PLEX的SLI Mosaic驱动程序能将多个GPU组合成一个逻辑上的GPU，且GPU的2D和3D性能并不会受到影响。通过SLI Mosaic，单个Quadro PLEX工作单元能最多支持4台显示器(4Kx4K分辨率)。两个Quadro PLEX工作单元可被并联起来，最多支持8台显示器(8Kx8K分辨率)。同时支持主动立体显示功能和固定的像素重叠功能。因此其播放效果满足船舶多通道异步演示方面图形处理的要求。

图6 VS483海洋平台工作船工艺验证效果图

　　如图6所示，在VS483海洋平台工作船同步仿真工作中，根据该船在结构上罐舱部分灰罐数量多、体积大、管系布置复杂、综合布置困难等特点，充分发挥NVIDIA Quadro系列图卡对虚拟仿真软件Division Mockup的支持能力，将虚拟制造技术研究成果应用到船舶建造的工程实际中，构建了VS483海洋工作平台船罐舱综合吊装工艺虚拟仿真模型，实现对罐舱部分的船体、舾装、电气各专业的综合吊装工艺的工程可视化仿真。发现了原始建造工艺中存在的问题，并对修改后的工艺进行了虚拟验证，检测了吊装过程中可能出现的动态干涉问题，形成了实用效果极佳的综合吊装工艺。在早期就为VS483最为复杂的罐舱部分综合吊装的顺利进行了预先验证。

　　在Division Mockup生产视频片段过程中，Quadro FX3500表现稳定，与过去采用普通显卡时相比，FX3500在性能和稳定性方面体现出了明显的优势。采用了Quadro专业显卡后，在VS483海洋工作平台船项目中，大大提高了前期工艺验证的准确率，对优化船舶制造模型、预测产品的可制造性方面大有益处，有效的避免了在产品装配过程中的动态干涉，不但有效的缩短了建设后期，而且减少了船台、码头施工过程中不必要的返工。

　　拥有了NVIDIA Quadro PLEX和NVIDIA Quadro FX系列的硬件支撑后，武船实现了在数字环境中，对产品装配、建造工艺等多方面的功能性校验，使船东和设计工程师能在虚拟环境下，对船舶设计和布局的合理性以及系统各模块在生产过程中的可装配性、可维护性和安全性的进行虚拟仿真，有效提高了总体设计和施工方案的准确性。

　　武船在原有多通道异步演示系统基础上，不但构建了北船台建造区域及青岛海西湾大型海洋工程船舶建造基地的三维立体虚拟环境，而且完成了对12缆物探船、多用途海洋平台工作船等多种产品建造过程的展示。同时，对原有系统的应用和数据也顺利完成了从SGI平台到X86平台的移植。

　　后记：

　　武昌船舶重工有限公司采用NVIDIA Quadro FX专业显卡和NVIDIA Quadro PLEX多通道图形解决方案，在船舶建造可视化、展示可视化等方面进行了有益的探索，取得了丰硕的成果。在企业船舶数字化进程中，NVIDIA®（英伟达™）Quadro®与船舶设计在虚拟现实之间的默契配合还将不断深入。（转载请标明来源于e-works，作者为e-works特约撰稿人严睿和陈同江）

　　企业简介：

　　武昌船舶重工有限责任公司，简称武船，隶属于中国船舶重工集团公司，始建于1934年6月6日，当时名为武昌机械厂，"一五"期间被国家列入156个重点建设项目，更名为武昌造船厂，2009年3月改制为武昌船舶重工有限责任公司，是我国重要的军工生产基地和以造船为主的大型现代化综合性企业。

　　武船总占地面积240多万平方米，在阳逻经济开发区、庙山开发区等武汉4个区域设有分公司，在青岛海西湾设有大型造船基地。

　　武船始终按照中船重工集团公司"创建中国最强最大，国际一流船舶集团"的发展要求，以科技为支撑，不断创新超越，在高技术船舶、大型水利工程、航天设施、大型现代化桥梁、重型装备和多种成套设备领域实现了规模化发展，形成了军品、民船、非船舶产品三大主业协调发展的经营格局，主导产品在国内同行业内处于领先地位，并正走向品牌化、高端化、国际化发展之路。