三维船舶航道呈现系统
摘 要 虚拟现实是人们利用计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种先进手段，给用户提供良好的体验效果，已经被广泛应用于各行各业。其中，水运行业利用虚拟现实技术实现船舶航道的三维呈现，能够为水运系统提供一种安全、高效、协调管理的方案，并能够设计出符合未来发展需求的水运基础设施；利用虚拟现实技术进行水运交通事故的仿真测试和事故现场的还原，能有效的较少不必要的财产损失和准确的还原事故现场，具有一定的现实意义。 为实现航道闸口段船舶三维呈现与实时交互，本文运用MFC应用程序框架，计算机视觉库（Open Source Computer Vision Library，简称OpenCV）和三维渲染引擎（Open Scene Graph，简称OSG），设计出一种集三维静态场景、动态船舶及对象信息于一体的三维船舶航道呈现系统。首先，基于已有的航道船舶模型及其基本信息，构建与视频中场景相应的三维虚拟场景。然后，通过对航道闸口段的监控视频进行图像处理，获取航道和船舶相关的动态信息，并在已构建的三维虚拟场景中呈现。最后，通过用户与虚拟场景的交互功能，实现三维场景中对象的详细介绍和展现。实例表明，本文所构建的系统有效的实现了航道闸口段的三维信息化呈现，具有可视化、交互性、实用性。
目录
第1章 绪论 7
1.1 课题背景与意义 7
1.2 虚拟现实技术的研究应用现状 8
1.3 本文的主要研究内容和章节安排 9
第2章 开发工具与环境的简介 9
2.1 程序框架MFC的简介 10
2.2 OpenCV计算机视觉库的简介 11
2.3 OSG三维渲染引擎的简介 12
第3章 系统分析 14
3.1系统需求分析 14
3.2总体解决方案 16
第4章 系统各模块的详细设计和实现 18
4.1 系统交互界面的设计和实现 18
4.1.1界面设计 18
4.1.2省份、航道选取功能的实现 21
4.1.3 MCI简介和背景音乐功能的实现 24
4.2 视频图像处理模块的设计和实现 25
4.2.1视频图像处理模块的功能和子模块 25
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4.2.2水位闸门监测子模块的实现 26
4.2.3 船只检测子模块的实现 27
4.2.4 camshift跟踪算法和船只跟踪子模块的实现 29
4.3 三维场景渲染模块的设计和实现 31
4.3.1三维场景渲染模块的功能和子模块 31
4.3.2 MFC、图像处理和三维渲染线程间的关系 32
4.3.3场景物体简介功能的实现 36
4.3.4漫游功能及碰撞检测的实现 38
4.3.5两种观察模式切换功能的实现 40
4.4 系统整体测试 41
4.5 本章小结 45
第5章 总结和展望 45
5.1全文总结 45
5.2 改进与对未来的展望 46
参考文献 47
致谢 48
第1章 绪论
水运在交通运输业中有着重要地位，不断的提高船舶的监管效率，为水运提供了一种便捷的管理方式有着重要的意义。随着虚拟现实技术的不断成熟和提高，它已经被广泛地应用于各行各业中，并获得了良好的使用效果，在水运行业的应用也获得了很不错的效果。
1.1 课题背景与意义
中国水运历史悠久，是世界内陆水域最多的国家。与其他的运输方式相比，内河航道运输具有成本低、运输量大、污染少、能耗小等优势，充分挖掘内河航道的运输功能对带动经济发展起重要作用。而现有的航道、船舶、闸口管理手段仍停留在船舶巡航、人工观测等传统方式的层面上，存在管理水平低下、费用高、效率低等问题。为此需要建设以航道、闸口、船舶信息化为手段的综合调度与指挥平台以及服务平台显得尤为重要。为满足针对运河闸口运营中实时、直观、三维真实呈现等管控需求，根据船舶的运动信息获取船舶的特征和属性，分析船闸的管控与调度，并基于视频图像技术构建高效的航道、船舶、船闸三位一体的智能管控系统是急需亟待解决的问题。
在内河航道船舶方面，邢胜伟[1]采用所使用的大比例尺电子航道图作为三维可视化数据源，基于GIS实现了内河航道三维显示与分析系统；姚世龙[2]结合苏州航道的现状与特点，设计了基于GIS的内河航道信息可视化平台，全面提升了航道的信息化水平。杨远东[3]设计了三维航道水深信息管理系统，把专业、繁杂的水深数据为生动。逼真的水下三维地形，实现对航道的全面、便捷管理。唐国磊[4]设计了3D 可视化海港航道辅助设计系统，实现了航道尺度计算、三维航道建模与实时修改、疏浚量及疏浚投资估算、方案优选等功能。郭晨[5]等采用虚拟现实技术生成了可视化船舶运动控制交互式仿真系统，可较好地研究船舶航向、航迹、减摇等，获得系统的动态和静态特性，但仅限于实验室环境。汤一平[6]等通过对跟踪的船舶特写抓拍和图像处理，构建了基于多视觉信息融合的内河航道智能监控系统，实时获取水上交通基本信息。严忠贞[7]研究了内河在航船舶的动态跟踪和轨迹融合，采用了基于改进相邻帧差法和Hu不变矩特征的运动目标识别方法，并提出了一种自适应带宽的Meanshift目标跟踪算法。纵观近些年来船舶航道的研究，主要包括实现船舶运动仿真、构建三维航道及获取船舶动态信息等方面，但对船舶动态实时呈现研究鲜有报道。
1.2 虚拟现实技术的研究应用现状
从1962年，Morton Heilig发明了实感全景仿真机开始，虚拟现实技术逐渐得到大众的青睐。它的最本质特点为三个“I”，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、思维构想性（Imagination），并融合了其它先进技术。它广泛应用于军事研究、航天航空、交通运输、室内设计、工业制造等领域。这种仿真的本质是，通过计算机来生成非常接近真实的三维甚至是多维环境，同时用户可以通过键盘、鼠标等输入设备来操纵虚拟的三维环境，让用户产生一种置身其中的感觉。
在国外，作为VR技术发源地的美国，其研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在用户界面、后台软件、感知和硬件四个方面。美国宇航局(NASA)的Ames实验室研究主要集中在以下方面：在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真；将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；现NASA己经建立了空间站VR训练系统，航空、卫星维护VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究[8]。
在国内，高昂的研究成本和使用费用多年来一直限制了仿真技术在我国的普及应用和发展。由于我国VR 技术研究起步较晚，与国外发达国家相比还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情制定了开展 VR 技术的研究计划。国家高技术研究发展计划，国家自然科学基金委等都把 VR 列入了研究项目。国内一些重点院校也已积极投入到了这一领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR 研究，最有权威的单位之一 ，并在以下方面取得进展：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；浙江大学CAD&CG 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法；北方工业大学 CAD 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心[8]。
目录
第1章 绪论 7
1.1 课题背景与意义 7
1.2 虚拟现实技术的研究应用现状 8
1.3 本文的主要研究内容和章节安排 9
第2章 开发工具与环境的简介 9
2.1 程序框架MFC的简介 10
2.2 OpenCV计算机视觉库的简介 11
2.3 OSG三维渲染引擎的简介 12
第3章 系统分析 14
3.1系统需求分析 14
3.2总体解决方案 16
第4章 系统各模块的详细设计和实现 18
4.1 系统交互界面的设计和实现 18
4.1.1界面设计 18
4.1.2省份、航道选取功能的实现 21
4.1.3 MCI简介和背景音乐功能的实现 24
4.2 视频图像处理模块的设计和实现 25
4.2.1视频图像处理模块的功能和子模块 25
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4.2.2水位闸门监测子模块的实现 26
4.2.3 船只检测子模块的实现 27
4.2.4 camshift跟踪算法和船只跟踪子模块的实现 29
4.3 三维场景渲染模块的设计和实现 31
4.3.1三维场景渲染模块的功能和子模块 31
4.3.2 MFC、图像处理和三维渲染线程间的关系 32
4.3.3场景物体简介功能的实现 36
4.3.4漫游功能及碰撞检测的实现 38
4.3.5两种观察模式切换功能的实现 40
4.4 系统整体测试 41
4.5 本章小结 45
第5章 总结和展望 45
5.1全文总结 45
5.2 改进与对未来的展望 46
参考文献 47
致谢 48
第1章 绪论
水运在交通运输业中有着重要地位，不断的提高船舶的监管效率，为水运提供了一种便捷的管理方式有着重要的意义。随着虚拟现实技术的不断成熟和提高，它已经被广泛地应用于各行各业中，并获得了良好的使用效果，在水运行业的应用也获得了很不错的效果。
1.1 课题背景与意义
中国水运历史悠久，是世界内陆水域最多的国家。与其他的运输方式相比，内河航道运输具有成本低、运输量大、污染少、能耗小等优势，充分挖掘内河航道的运输功能对带动经济发展起重要作用。而现有的航道、船舶、闸口管理手段仍停留在船舶巡航、人工观测等传统方式的层面上，存在管理水平低下、费用高、效率低等问题。为此需要建设以航道、闸口、船舶信息化为手段的综合调度与指挥平台以及服务平台显得尤为重要。为满足针对运河闸口运营中实时、直观、三维真实呈现等管控需求，根据船舶的运动信息获取船舶的特征和属性，分析船闸的管控与调度，并基于视频图像技术构建高效的航道、船舶、船闸三位一体的智能管控系统是急需亟待解决的问题。
在内河航道船舶方面，邢胜伟[1]采用所使用的大比例尺电子航道图作为三维可视化数据源，基于GIS实现了内河航道三维显示与分析系统；姚世龙[2]结合苏州航道的现状与特点，设计了基于GIS的内河航道信息可视化平台，全面提升了航道的信息化水平。杨远东[3]设计了三维航道水深信息管理系统，把专业、繁杂的水深数据为生动。逼真的水下三维地形，实现对航道的全面、便捷管理。唐国磊[4]设计了3D 可视化海港航道辅助设计系统，实现了航道尺度计算、三维航道建模与实时修改、疏浚量及疏浚投资估算、方案优选等功能。郭晨[5]等采用虚拟现实技术生成了可视化船舶运动控制交互式仿真系统，可较好地研究船舶航向、航迹、减摇等，获得系统的动态和静态特性，但仅限于实验室环境。汤一平[6]等通过对跟踪的船舶特写抓拍和图像处理，构建了基于多视觉信息融合的内河航道智能监控系统，实时获取水上交通基本信息。严忠贞[7]研究了内河在航船舶的动态跟踪和轨迹融合，采用了基于改进相邻帧差法和Hu不变矩特征的运动目标识别方法，并提出了一种自适应带宽的Meanshift目标跟踪算法。纵观近些年来船舶航道的研究，主要包括实现船舶运动仿真、构建三维航道及获取船舶动态信息等方面，但对船舶动态实时呈现研究鲜有报道。
1.2 虚拟现实技术的研究应用现状
从1962年，Morton Heilig发明了实感全景仿真机开始，虚拟现实技术逐渐得到大众的青睐。它的最本质特点为三个“I”，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、思维构想性（Imagination），并融合了其它先进技术。它广泛应用于军事研究、航天航空、交通运输、室内设计、工业制造等领域。这种仿真的本质是，通过计算机来生成非常接近真实的三维甚至是多维环境，同时用户可以通过键盘、鼠标等输入设备来操纵虚拟的三维环境，让用户产生一种置身其中的感觉。
在国外，作为VR技术发源地的美国，其研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在用户界面、后台软件、感知和硬件四个方面。美国宇航局(NASA)的Ames实验室研究主要集中在以下方面：在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真；将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；现NASA己经建立了空间站VR训练系统，航空、卫星维护VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究[8]。
在国内，高昂的研究成本和使用费用多年来一直限制了仿真技术在我国的普及应用和发展。由于我国VR 技术研究起步较晚，与国外发达国家相比还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情制定了开展 VR 技术的研究计划。国家高技术研究发展计划，国家自然科学基金委等都把 VR 列入了研究项目。国内一些重点院校也已积极投入到了这一领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR 研究，最有权威的单位之一 ，并在以下方面取得进展：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；浙江大学CAD&CG 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法；北方工业大学 CAD 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心[8]。
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