vr技術論文范文

導語：如何才能寫好一篇vr技術論文，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

［關鍵詞］虛擬現實技術;環境藝術設計;應用研究

vr技術通常是需要網絡以及多媒體技術來支撐，且其在功能性方面表現出是一種綜合的信息技術。VR就是虛擬現實，這種技術基于電腦的系統來將虛擬的情景在畫面當中展示出來。并且，在展示的過程當中，融入了人的語音語調以及各種肢體動作，使其能夠完整的在虛擬畫面中得到展現。由于VR技術發展到現在已經比較完善，所以將其廣泛的應用到各種設計當中。本文將針對VR技術應用于環境藝術設計當中進行研究，從VR技術與環境藝術設計的內涵入手，對應用的效果和范圍展開具體的分析。

1VR技術概述和特征

1．1淺析VR技術

VR技術依舊是虛擬現實技術，其實質是將一系列先進技術進行集合，比如計算機仿真技術、網絡技術以及多媒體技術，通過將這些技術進行集合營造出一個三維立體的虛擬環境，并且利用多種設備來使虛擬環境能夠支撐，最后實現多維度的信息空間。VR技術會根據用戶需求的差異性通過不同的技術手段來構建不同的虛擬場景，并最終將虛擬的場景展現給用戶，使用戶能夠在立體場景中獲得趨向現實的感受效果。

1．2VR技術的特征分析

人類在進行感知時依靠的是視覺、觸覺以及聽覺各方面能力，通過VR技術手段構建的虛擬現實環境，其需要達到的最佳效果就是能夠滿足人類的感知能力。當前的VR技術手段尚未達到比較完美的感知效果，但也具備一定的感知能力。并且，人們可以在虛擬的環境當中能夠與虛擬的事物產生互動，盡管這種互動并不是真實意義上的觸覺效果，但是在一定程度上也能夠使人們視覺上感受到互動，也是VR技術的一種獨有特征［1］。在虛擬的環境當中最主要的特征是其構想性，通過對虛擬環境的探索，人們在一定程度上滿足了想象力中的場景需求，這是VR技術中最顯著的特征。

2環境藝術設計中運用VR技術的價值

我國的環境藝術設計宗旨是能夠使用最低的成本設計出最大效益的設計方案。這就需要在實際設計過程中，要采取一切可行性的手段來對環境藝術設計的質量和效果得到提升。那么將VR技術運用到環境藝術設計當中也是適應了當前狀況的需求，環境藝術設計方案的內容在展現的過程中會使人難以理解，通過虛擬現實技術的應用，可以為環境藝術設計提供相應的支撐，并且使設計方案能夠更直觀的展現出來，這將會促進環境藝術設計的質量和效果達到更高層次。

3VR技術應用于環境藝術設計之中的研究

3．1將藝術設計的效果直觀展現

環境藝術設計的展現從最早的手繪圖紙到電腦的效果圖制作再到建筑動畫制作這一發展進程，已經經歷了多次展現手段的變更。而虛擬現實技術在當今時代的廣泛應用也為環境藝術提供了新的展現形式。與傳統的展現形式相比，通過虛擬現實的場景來對環境藝術設計的內容加以展現，可以使客戶在虛擬環境中通過觸覺、視覺以及聽覺全方位加強對感官的刺激，使環境藝術的效果展現的更加直觀。

3．2改善環境藝術項目的經濟效益

VR虛擬現實技術已經被廣泛的英語與環境藝術設計當中，在具體的應用操作中，最有優勢的體現是該技術促進了環境藝術相關項目經濟效益的提升。由于VR運用計算機軟件在比較短的時間內就可以構建出三維立體結構，代替了傳統意義上實體的框架結構，在這一層面上就已經對成本達到了降低的效果。而在三維立體虛擬環境當中，對具體的物件進行構建也花費不了太多時間，同樣只需要在軟件中進行相應的調整即可，也避免了在實際當中花費的時間和成本，極大的提升了環境藝術項目的經濟效益。

3．3有效避免環境藝術設計方案中的問題

在環境技術設計中，往往需要借助多種知識體系，將其融合才能對設計的內容達到完善效果，如果在其中運用的部分知識出現了錯誤性的理解，就會對整體的環境藝術設計產生影響，甚至要重新整體進行修改。而運用VR技術則可以使這種問題在操作中得到避免，虛擬現實系統當中由于對虛擬環境進行建模的技術，在構建開始以前需要通過表格圖示等形式來對數據進行統計，并且對概念達到深層次的理解。VR技術在應用中還可以實現后臺的處理效果，使環境藝術設計能夠在運用VR技術的基礎上，有序的進行運作，每一個環節的技術都能夠在特殊情況進行單獨處理，使環境藝術設計方案出現問題時第一時間就得以解決，大大提升了設計的效率。

4結語

在現代化科技層出不窮的背景下，要將科技有效的應用到各領域當中，使科技技術能夠發揮最大的作用。通過VR技術在環境藝術設計當中的運用效果，可以發現該技術能夠使環境藝術設計從傳統形式上加以改進，并且也促進了其經濟效益，所以VR技術能夠在這些相關的項目當中實現技術的價值，在以后可以更廣泛的對其進行推廣。

參考文獻:

篇2

 

選題一：移動直播

參考方向：移動直播技術升級、秀場直播模式分析、移動直播內容產業分析、傳統媒體移動直播試水。2016是視頻直播的元年，看看各大互聯網公司、媒體在布局直播時的力度就知道了。直播實在是個太大的主題，雖然不能方方面面都進行研究，但你至少可以將關注點聚焦在某一具體領域，比如以《華盛頓郵報》為例分析媒體轉型中的直播運用，再比如Facebook等互聯網巨頭的社交直播等等。

 

選題二：VR虛擬現實+內容

參考方向：數字媒體VR報道實踐、VR紀錄片的生產與分發、國內媒體VR新聞創新案例與應用前景。當今科技界聊的最多的話題，大概不是直播就是VR。VR真是一盤超大的棋，各個巨頭紛紛入局，不管是VR硬件設備，還是VR內容生產似乎總有無窮的潛力等待挖掘，Facebook的小扎更是全力“押寶”VR。那你能研究些啥呢?數字化媒體如何運用VR進行多元化新聞報道呈現形式?VR內容生產的現狀、前景與憂慮?更酷的同學是不是還可以學習美國大學生做個VR畢設?期待你們的腦洞!

 

選題三：資訊短視頻

參考方向：國內短視頻創業綜述、青年用戶短視頻消費習慣調查、社交時代短視頻的傳播特征。有沒有發現一夜之間，短視頻火了，網紅、垂直行業、社交巨頭...入局者甚多。媒體人轉型投身短視頻內容創業，更讓大家對短視頻領域充滿好奇。短視頻為什么這么火?為什么這么多媒體人將創業目標置于此?短視頻是如何帶來大規模流量的?互聯網、媒體巨頭又是如何布局短視頻大棋的?……多看看相關研究，你或許會有更多靈感。

 

選題四：突發新聞報道

參考方向：外媒如何利用社交媒體報道突發、直播在突發報道中的作用、突發報道中的社交信源核實方法論。近幾個月國際國內突發新聞不斷，面對這樣的突發新聞，媒體作何反應?如何報道?運用什么先進工具來提高報道效率?社交媒體如何聚合消息?發揮何種作用?成為“報道主力”后又對這個傳播版圖有著怎樣的影響?……當下全新的傳播環境中，這些都是值得走心研究的好問題。

 

選題五：IP價值

參考方向：媒體如何用IP思維打造新聞產品、特稿的IP變現之路、玄幻劇IP的營銷與發行。將IP譽為當下互聯網行業的掘金礦似乎也不為過。“IP是個筐，什么都能裝。”看看暑期檔熱播的各大電影、電視劇哪個不是IP改變的功勞?里約奧運只知道follow寧澤濤、泥石流，卻沒發現體育愛豆背后的巨大IP價值?布朗熊、可妮兔超可愛，可她們同屬的LINE“帝國”卻靠IP衍生創造了巨大的商業價值……年輕人，看劇看奧運看電影玩的不亦樂乎時，可別錯過值得研究的論文選題哦。

 

選題六：新聞編輯室“黑科技”

參考方向：外媒編輯室如何運用AI系統提升效率、聊天機器人在新聞報道中的運用、全球機器人寫作發展綜述。諸多媒體似乎一直在致力于新聞編輯室的工具改革，無論是《紐約時報》的數據分析系統Stela，英國智能內容服務軟件Echobox，還是具有寫稿、聊天功能的機器人，它們都在嘗試提高編輯室的工作效率，最終實現傳播效率的最大化。深入研究一下國內外媒體的編輯室工具改革，新聞業務小能手說不定就是你!

 

選題七：數據新聞

參考方向：媒體數字報道創新(以里約奧運報道為例)、社交傳播環境下數據新聞的創新范式。

數字新聞仍是當前新聞報道的一個熱門方向，從剛剛過去的里約奧運中便可看出端倪。《紐約時報》、《金融時報》、《華盛頓郵報》、NBC、BBC等一票大佬媒體都使出渾身解數在數字新聞上做足功課。對新聞實務感興趣的童鞋不妨多多關注這個領域。

 

選題八：粉絲經濟

參考方向：SNH48的粉絲經濟模式研究、社交媒體在粉絲經濟中的作用、粉絲研究：新型粉絲關系下的粉絲權力。隨著現在以TFBOYS、SNH48為代表的各類男團、女團的崛起，粉絲經濟也越來越引起人們的關注。粉絲權力如何將偶像團體推向名利的高點?偶像團體又怎樣運用“粉絲經濟”來穩固自己的根基?……這些或許都是值得你研究的問題。

 

選題九：網絡綜藝

參考方向：網絡綜藝與電視綜藝的對比分析、網絡綜藝的營銷之道(以《奇葩說》為例)、傳統電視綜藝節目的互聯網+模式創新。近年來傳播環境的改變催生各種傳播內容、傳播形態的轉變，網綜作為當下的一支娛樂力量借助移動互聯網大勢迅速崛起。網綜領域似乎從來不缺新玩法，賣污、神后期等等各種各樣令人眼花繚亂的網綜術不斷出現，沖擊著我們的接納能力。

 

選題十：媒體從業狀況

參考方向：媒體人生存狀況調查、海外數字媒體裁員背后的問題。關注媒體人從業狀況的童鞋看過來!媒體轉型的當下，當無冕之王的光環褪去，媒體人的生存狀況究竟如何?他們過得還好嗎?他們都在干嘛?媒體裁員已經從傳統媒體蔓延到數字媒體了嗎?這些令人揪心的問題，你或許可以通過對媒體人的量化研究與深入訪談入手。

篇3

3月17日，阿里巴巴宣布成立VR實驗室，瞄準的是VR購物。同時，它會聯合旗下的阿里影業、阿里音樂、優酷土豆，制作VR內容。而今年下半年，騰訊將基于PC端和移動端的兩款VR頭部顯示器。

根據美國風險投資數據公司CB Insights的數據，2017年第一季度，AR/VR領域的投資項目超過80個，同比增長60%。報告還披露了Facebook和蘋果分別為其A/VR工作招聘了一千多名員工。

所謂VR，就是通過計算機技術為用戶模擬出逼近現實的虛擬環境。其沉浸式體驗和交互方式帶來的新的娛樂方式，吸引了從硬件技術到內容生產和分發的多個公司。除了阿里巴巴、騰訊、Facebook和蘋果，HTC、三星、索尼等公司都在這個領域展開業務。

目前，這個行業的人才供應遠低于需求。人力資源平臺領英去年的一份針對全球范圍內VR人才的報告顯示，在領英的人才庫里，有18%的人才需求來自VR行業，僅次于美國，但合適的VR人才只有2%。

熬過資本的冬天并存活下來的公司變得更加務實，而且開發了更多樣化的應用場景―除了去年的影視、游戲產業，今年它們還進入到了醫療行業、制造業、零售業等新領域。

如果你對VR行業感興趣或者看好它的前景，我們將告訴你這個領域正在找哪些人、薪水怎么樣，以及怎樣可以加入。

AVRO備的核心職位主要有3種

VR硬件的核心技術很復雜，涉及算法、光學、系統開發、交互、圖形圖像等多個領域，核心職位圍繞的都是這些方向。它們也多是HTC、三星等硬件公司的VR業務范圍。

算法工程師

這是VR領域最基礎的職位。VR的功能是通過一副眼鏡，讓人既看到人眼看不到的東西，又能在虛擬空間中移動，還能對虛擬景象形成真實感，因此需要一套算法把這些感官上的功能都實現。通常，算法工程師關注的是如何解決某一類特定問題或實現某一特定功能。在VR領域，這一職位主要需要懂計算機視覺、空間定位、交互技術、圖形圖像等算法。

計算機視覺主要是指以攝像頭代替人眼識別目標和提取特征，工程師需要探索最新的算法以及技術的可行性，負責視覺和圖像的處理；空間定位指的是通過VR設備使用者能確定自己在空間中的位置，高精度的空間定位可以為用戶帶來更好的沉浸感并降低眩暈程度；接下來，交互算法工程師負責手勢識別、視線估計、動作捕捉、追蹤等相關計算機視覺算法的研發，研究實際空間中的動作如何延伸到虛擬空間中；然后是圖形圖像的處理，它要求在滿足性能的前提下提高畫質，用更快的速度和更少的資源去畫像。

光學和人體工學工程師

光學要解決的是讓VR設備的鏡片在保證沉浸感和清晰度的同時，盡可能加大視場角，讓人在佩戴VR設備時看得更清晰；人體工學關注的則是人在佩戴VR眼鏡時的舒適度，設備是否透氣、不漏光、足夠輕盈等。目前消費級的VR產品在這方面仍處于初級階段，如何讓人更舒適持久地使用VR設備，是行業發展的瓶頸之 一。系統架構師

與成熟的智能手機、智能手表的開發系統不同，VR的系統架構到目前為止并沒有行業標準，面對陌生的領域，系統架構師需要駕馭和設計整個系統，負責VR頭部顯示器及整個主機設備的集成。

BVR產業鏈上的工作還有這些

要實現VR體驗，只有一部VR硬件設備可不夠，可以觀看的內容、節目效果，以及應用場景的開發，這些需要硬件公司以外的公司參與，Facebook等公司涉及的主要是這部分內容。

3D引擎開發和3D美術

3D引擎開發人員主要負責VR場景的搭建―戴上VR眼鏡后你看到的“新世界”，就是所謂的VR場景。市場上主流的開發引擎有兩種，一種是可以快速開發的Unity3D引擎，一種是可以制作恢弘場景和細致光效的虛幻4引擎，這種引擎在游戲開發中常使用。

3D美術人員則需要制作3D美術素材，將素材置入場景后，再配合引擎程序員優化游戲的性能。

內容制作

你知道，無論電影還是游戲，當你想要通過VR眼鏡獲得這些娛樂的時候，它們除了像一般的電影和游戲產品那樣需要腳本，還需要影視制作人員使用360度全景視頻的拍攝技術去拍攝和剪輯，這是二者在內容制作方法上的不同之處。

銷售運營、產品經理

不同于剛起步的人工智能，VR已經邁入產業化階段，公司除了需要尖端技術人員，對市場銷售、平臺運營方面的人才同樣有需求。要求與其他領域大同小異，都是負責開拓市場和客戶，增加產品的銷售范圍等。因VR企業希望快速打開市場，銷售人才目前高居中國VR領域人才需求的第二位，高于全球水平。

產品經理的職責也很共通，負責其他VR公司與本公司部門的配合，制定和推進合作項目，把控整體合作項目的時間，并對最終合作質量負責。

常規開發

和任何智能硬件一樣，VR也需要內置一套系統，其中包括App Store一樣的平臺以及應用軟件，這部分工作與傳統互聯網、手機行業的開發工作相似，即在實現VR設備的智能化的同時，保證軟件在不同平臺間能流暢交互。

C要進入這個行業，需要你有這些能力和資歷

技術崗位碩博優先

VR行業的崗位主要指向三個方面：硬件、軟件和內容制作。

硬件領域涉及到計算機、光學、電子、機械、生物學、自動化等方向。軟件需要計算機圖形學、程序設計、數據結構、操作系統、算法設計與分析等相關背景。這兩個方面對工科背景的人才需求更大。VR內容包括游戲、影視等，需要3D美術、拍攝方面的學術背景。

由于VR產業相對細分，產業上游硬件、軟件開發的崗位會以碩士、博士學歷優先，因為碩士和博士在學術領域的研究方向更為明確，企業在篩選簡歷時更容易適配崗位。

“如果畢業論文方向是圖形圖像、計算機視覺，就會非常搶手，不僅是VR行業，在人工智能領域也會受到歡迎。”科銳國際高科技行業總監田丹說。

VR行業的核心技術崗位中，招人要求最高的是算法工程師，這也是最難招聘的崗位。學歷必須是碩士以上，同時是模式識別、信號處理等科班出身。另外，對深度學習和機器學習有了解是加分項。

至于市場銷售、平臺運營甚至內容領域的人才，這個行業對學歷背景要求不高，更看中經驗、人脈以及辦事的靈活度。畢竟，新興行業最需要資源嫁接能力。

應屆生也有機會，尤其是海歸

打開招聘網站，VR技術崗位的招聘一般以最少一年工作經驗起步，往上的話，有的職位要求3到5年的工作經驗，有的甚至要求10年以上的經驗。這個門檻主要是因為VR技術雖然還不怎么成熟，但它是高集成性產品，需要在算法、架構、光學和人體工學等成熟技能的基礎上再提出應用上的高要求。

但應屆畢業生并非完全沒有機會。對國內的VR公司來說，開放應屆畢業生招募主要有兩種情況。一是已經在行業里挖到技術領域的大牛，需要為其配備團隊，因此會招聘一定比例的應屆畢業生。二是產品經理這類崗位入門門檻不高，公司也愿意花時間培養。

相較而言，海歸會比較受到這個行業的歡迎。微鯨VR人力資源總監Tony在為3D場景交互崗位招聘時發現，國內很少有這方面的專業人才，但德國的3D場景交互領域向硅谷輸送了不少人。他后來意識到，這是因為德國的高校有對口專業，所以即使是剛畢業的應屆生，Tony也會第一時間把對方請到公司來。

再說到內容領域，VR內容領域要制作哪些內容并沒有明確標準。畢竟，還沒有人敢下結論說：VR只能用來做什么、不能做什么。這個行業眼下正是需要創意和研究拍攝方式的時候。

D這些領域，跨行到VR更容易

游戲

游戲是VR最早被應用的場景之一。雖然VR游戲一度遇冷，但從長遠角度看，從游戲行業跳到VR行業嘗試新的游戲形態未嘗不可。擅長技術的話，可以繼續走Unity3D開發、3D建模和3D美術的路。即使有大量游戲公司仍在觀望，但VR游戲帶來的體驗感確實是電腦、手機無法取代的。這也是HTC Vive、PS VR、Oculus等公司目前大量需求的產品。

互聯網和半導體

互聯網和半導體是VR行業人才來源的兩大核心區域。VR行業缺少的系統架構人才在微軟、IBM、AMD、英特爾或者高通都能找到。

工業設計

截至目前，用戶對于VR硬件設施的體驗普遍是抱怨“長久佩戴時頭顯過重，舒適感不夠”。這就需要人體工程學領域的人才來改進產品，他們一般會從設計領域找人，尤其是工業設計。

影視

影視行業從業者主動跳到VR行業的比例相對更高。“他們對整個行業的理解和感知更多，當他們意識到有新的拍攝方式可以嘗試，主動投身的人就會更多。”Tony說。他以微鯨一位制片人為例，對方在電視臺累積了多年經驗，有自己的工作室，同時還在高校任教，最終選擇進入VR領域就是想嘗試不一樣的東西。

E哪些公司在尋找人才？

初創公司

新技術面前，全球企業處于同一起跑線。以技術為核心的初創公司為了站穩腳跟，同樣在該領域爭奪人才。暴風魔鏡、蟻視、大朋、微鯨等國內VR廠商熬過資本嚴冬，對招聘也有了更高需求。“初級崗位不難招，要招就招核心算法，特別是如果我們想超越海外同行，招人就更重要。”大朋VR合伙人兼首席戰略官章立說。

大公司

雖然無論是Facebook，還是HTC、索尼，都沒有將技術研發落地中國，但巨頭們為了造勢，頻頻聯合產業鏈上下游合作，發起各類聯盟，為開發者提供諸多便利，這從另一個角度為從業者帶來了更多機會。

Fa c e b o o k今年4月宣布建立首個增強現實（Augmented Reality，AR）平臺，同時VR社交平臺Facebook Spaces的Beta版；微軟于5月10日宣布將開放Windows Mixed Reality開發者套件預購。5月18日，Google也宣布要在今年年底推出Daydream VR一體機，其首批合作伙伴是HTC和聯想。

還有蘋果，在6月6日的WWDC大會上，蘋果宣布Mac將支持HTC Vive，開發者可在MacBook上使用SteamVR平臺。同時，AR方面推出開發套件ARKit。

從這些大公司的策略中也能看出，VR已經不僅是它們手中的一張牌，混合現實（Mixed Reality，MR）、AR以及人工智能日后都將聯合起來。

F這行的薪水到底怎么樣？

去年5月，拉勾網了一份《VR/AR行業薪酬報告》，報告顯示，技術職位在過去幾年始終是核心訴求職位，即使崗位需求在2016年有所下降，也在總體崗位中占比50.5%。同時，市場方面的人才需求明顯提高，2016年占比12.3%，兩年間增長了一倍。

根據報告，在VR行業，無論是技術、產品還是市場、運營等崗位，薪酬水平皆高于互聯網領域。去年5月，全行業技術崗位月平均薪資為1.35萬元，而VR/AR行業技術崗位的月平均薪資達到了1.85萬元。即使是最弱勢的職能部門，薪資也高于行業平均值7100元，達到8300元/月。

Tony證實了這一現象。物以稀為貴，VR行業里技術崗薪水最高，而在技術崗里，算法工程師的薪酬排名第一。算法工程師如具備碩博學歷，年薪一般在30萬元至60萬元，3D引擎開發人才的年薪也在30萬元至40萬元。這還不包括公司為留住人才發放的期權和獎金。非技術職位的薪水也會比原行業略高，但總體上相差不大。

科銳國際在《2017年薪酬指南》中也指出，在新技術領域里，計算機視覺、深度學習方向薪酬漲幅最快。人才儲備主要在幾家跨國公司和頂級高校，VR行業的人才薪酬已經在高點，人才流動的吸引力更多來自職位前景。不過若遇到急缺位，跳槽漲幅可能高達50%以上甚至100%，比如算法類的崗位就是如此。

G進這行前，你得有點心理準備

如果你有興趣進入這個新興行業試一試，章立和Tony提醒你：

篇4

關鍵詞：瑞雷波頻散曲線；正演計算；正演參數

1 概述

面波，在地球物理勘探中我們通常稱之為地滾波，反射波記錄下來的大多數都是瑞雷波[1]。瑞雷波在多層介質中所產生的相速度隨頻率變化的現象被稱為瑞雷波的頻散[2]。而頻散曲線正是瑞雷波勘探獲得的直接成果。瑞雷波勘探技術作為一種新興的地球物理勘探方法，以其特有的優勢被廣泛應用于工程地質勘察、復合地基檢測等領域。但是在實際應用過程中也暴露了許多問題，這些問題主要體現在如下幾個方面：①瑞雷波的反演方法較多，但是這些方法均建立在一維模型基礎上，與被探測的三維目標體存在較大的差異。因此如何實現瑞雷波的二維反演甚至是三維全空間反演是目前瑞雷波研究的重點內容。②目前的面波數據處理采用的是基階面波，而高階面波的應用將會大大改善目前的勘探精度和勘探效果。因此如何提取高階面波，以提高勘探精度特別是軟弱夾層的勘探能力，是擺在面波數據處理方面的一個難題。③瑞雷波解釋成果存在較大的多解性，特別是解釋結果隨著道間距、偏移距以及采集通道數出現較大的差別，這也是目前瑞雷波勘探所面臨的迫切需要解決的技術問題。

針對上述問題，本論文利用瑞雷波正演計算程序，采用數值模擬的方法研究層狀分布的巖土體的縱波速度對巖土體中瑞雷波頻散曲線的影響規律。為進一步優化瑞雷波正演算法提供基礎資料。

2 基本原理

Knopoff快速計算法計算的是角速度為ω，相速度為VR的地震波在幾個水平、均勻介質組成的層狀空間中的傳播問題[3]。我們知道應力與位移的關系式為：

δm=ρm（γm-1）cosPmAm-iρm（γm-1）

sinPmβm+ρmγmγβmcosQmCm-iρmγβmsinQmDm

τm=iρmγmγαmsinPmAm-ρmγmγαmcosPmBm-iρm（γm-1）sinQmCm+ρm（γm-1）cosQmDm（1）

對于自由表面，我們僅考慮地表面應力不存在時的情況，則上式中的δ0=τ0=0，又有z=z0=0，所以P0=Q0=0，那么化簡上式可以得到：

-ρ（γ1-1）A0-ρ1γ1γβ1C0=0 ρ1γ1γα1B0-ρ1（γ1-1）D0=0（2）

上式（2）提供了內部任意界面在m層中的邊界條件。因為在第m層界面處有位移及應力連續條件，所以我們將（1）式與（2）式聯立得到一個齊次方程，其形式為：Λ（m）V（m）=0。對該方程進行一系列理論推導與求解，最后我們可以得到頻散函數：

F=（ω，VR）=[U（n-1），iV（n-1），W（n-1），R（n-1），iS（n-1），-U（n-1）]Tn （3）

Knopff快速計算法計算頻散函數的關鍵部分是不斷由層參數去遞推新的矩陣元素，根據m的矩陣元素推出m+1層的矩陣元素直到頻散函數計算到n-1層為止。

3 數值模擬研究

本論文利用基于Knopoff快速計算法的瑞雷波正演計算軟件，模擬過程中采用三層地質模型，通過對比分析研究巖土層縱波速度和橫波速度對頻散曲線的影響規律。對于縱波速度的影響，我們分層進行討論。巖土體模型的參數設置如表1所示。

在以上參數設定基礎上，保持第二、第三層參數不變，將第一層縱波速度VP1依次設為330m/s、250m/s、200m/s、167m/s和143m/s，這樣保證每次輸入的巖土體參數代表的巖土體橫波速度與縱波速度之比VS / VP依次為0.3、0.4、0.5、0.6和0.7。得到第一層巖土體縱波速度對瑞雷波頻散曲線的影響如圖1所示。

圖1 第一層巖土體縱波速度對瑞雷波頻散曲線的影響

從圖中可以明顯看出，第一層縱波速度從330m/s變化到143m/s，其變化量達到57%，但是正演得到的瑞雷波頻散曲線在形態上是基本相同的，瑞雷波速度只是存在一定的變化，最大超過25m/s，其差值百分比達到30%。

第二層巖土體的縱波速度對瑞雷波頻散曲線的影響如圖2所示。

圖2 第二層巖土體縱波速度對瑞雷波頻散曲線的影響

從圖上可以清楚地看出，第二層巖土體縱波速度值從500m/s變化到214m/s，其變化量達到57%。但是正演得到的瑞雷波頻散曲線形態基本上相同，瑞雷波速度只是在低頻段出現較大的變化，最大變化量可以達到將近40m/s。

綜上所述，巖土體縱波速度對瑞雷波頻散曲線的影響較小，但是隨著巖土層埋藏深度的增加，其縱波速度對瑞雷波頻散曲線的低頻段速度值的影響程度逐漸增加。

參考文獻：

[1]顧功敘.地球物理勘探基礎[M].北京：地質出版社，1990.

[2]Rayleigh L. On Waves Propagated Along the Plane Surfaceof an Elastic Solid[J].Proceedings of the London Math-ematic Society，1887.

篇5

論文摘要:本文分析了虛擬現實技術在建筑領域中的應用．井對相關問題進行了研究，最大限度地實現對建筑設計、施工、裝修等的現實可行性與指導性。

“虛擬現實”(簡稱V R )，是一項綜合性計算機圖形交互技術，它利用計算機生成一種模擬的實物與環境，通過多種傳感器設備使用戶“投入”到該環境中，實現用戶與該環境的直接交互。目前，VR技術已經在各個領域被廣泛應用，如在建筑設計領域、城市建設領域等等。

一、 計算機技術的引入

計算機技術用于建筑設計領域已有多年，但最早的建筑設計領域是先模仿傳統工具的使用方式，表現為簡單地模仿傳統的圖紙、圖板、針管筆等的使用方法。例如計算機輔助設計 (CAD)主要是幫助設計者把設計、計算、畫圖、數據存儲和處理等繁重工作交給計算機完成 ，而設計者把主要精力用于創造性構思。計算機可通過圖形設備向設計者展示設計結果。之后發展起來的虛擬現實技術 (簡稱 VR)能創造身臨其境的感覺 ，虛擬現實技術是迅速發展的一項綜合性計算機圖形交互技術。它集成了計算機圖形學、多媒體、人工智能、多傳感器、網絡并行處理，利用計算機生成的三維空間圖像實現的目標合成技術，通過視、聽、觸覺，以圖表及動畫方式呈現，改變了傳統的計算機輔助設計被動靜態的信息傳遞方式。目前，虛擬現實技術已經在各個領域被廣泛應用，如在建筑設計領域、建筑施工領域、建筑裝修領域等等。

二 虛擬現實技術在建筑領域的應用

1．建筑設計領域

在建筑設計中既要進行空 間形象思維，又要考慮到以用戶的感受，是一系列的創新過程，包括規劃、設計等。建筑物的實際效果受設計者的藝術素養、生活閱歷、知識水平、設計水平、設計經驗等主觀因素的影響和限制，不同的設計者對于同樣功能要求的建筑所設計的作品在外觀上、環境的協調上可能截然不同。然而，如果應用基于真實感三維圖形的虛擬現實技術則可以將設計者心目中的建筑方案以可視、可觸、可聽的方式展現給專家、用戶，使他們能“身臨其境”，提出自己寶貴的意見，達到優化設計的目的。同時還能大大減輕設計人員的勞動強度，縮短設計周期，提高設計質量，節省投資。

2．建筑施工領域

虛擬現實技術在建筑施工方面，也大有用武之地，可以進行大量方案的比較和優選。例如進行大型土方工程挖運系統的設計，最優設計是在日挖土量一定的情況下，如何確定挖土機與運土載重汽車的最優匹配，使挖運系統取得最好的整體效益。大型土方工程挖運系統的挖土機與載重汽車的匹配有很多方案，若要把全部方案的效益都計算出來進行比較，幾乎是不可能的。對這一類問題采用虛擬現實技術來比較、優選，則很容易實現。再如對于有風險的大型工程項目，投資一旦失敗，將會遭到巨大的經濟損失。對這一類問題，可以利用虛擬現實仿真技術，進行仿真試驗和評估，然后做出決策。同時還可以對不確定因素進行預先模擬。

3．建筑裝修領

建筑裝修設計是一個復雜的綜合過程。在傳統的設計過程中，裝修設計師根據建筑圖紙構造出虛擬的室內模型，并將其設計理念應用于室內模型，最后以多面視圖、效果圖、家具圖、大樣 圖和結構圖等手段表達設計效果。然而，這種離散的平面表現模式使得客戶和施工方難以全面地了解裝修效果。另外，繁瑣的工程量和造價估算過程也使得客戶難以準確快速地對裝修方案進行評估平選。如果在計算機中輸入實際房間的模型，設計者身處所需裝飾的房間，按照自己的構思去裝飾、修改，并且可以變換 自己在房間中的位置，去觀察裝飾的效果 ，直到滿意為止，一切就將變得簡單輕松。可以設想，在未來的裝飾工程中虛擬現實技術將會代替現有的實際模型而顯示出其強大的生命力。利用虛擬現實技術有效地提高了裝修設計的效率，并且能夠增強設計師和客戶之間的溝通，增加客戶對設計方案的滿意程度。

三、虛擬現實的動態漫游技術

利用 VR技術在空間數據庫的支持下可以構造三維虛擬環境 ，人在進入這一環境后可以和計算機實現以視覺為主體的全方位的動態交互。一個建筑模型進行可視化具有多角度觀察、放大、漫游、旋轉、任意選定路線的飛行或點面結合行駛效果的動態顯示及可視點的判別等功能。虛擬現實建筑設計還可以讓人在虛擬的建筑環境甚至城市空間里，以不同的角度去窺視或欣賞其外部空間和內部空間的動感形象和平面布局特點。它所產生的融合性，要比模型或效果圖更形象、完整和生動。

視景仿真和動態漫游技術，同時也是進行方案審察和評估的重要手段。利用VR技術在設計工程中可實時動態展示設計方案，可實時審視檢查規劃設計方案，及時發現問題，及時修改方案和細節。

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【關鍵字】增強現實技，虛擬現實，ARToolKit，碰撞檢測，算法相交測試，虛實碰撞

緒論：增強現實技術（Augmented Reality，以下簡稱 AR）是隨著虛擬現實（Virtualreality，以下簡稱 VR）技術發展起來的一種新技術。碰撞檢測算法作為虛擬現實（Virtual Reality，VR）領域中的一個重要組成部分，其主要作用是判斷虛擬空間中的兩個物體是否共享了部分空間。

通過對 VR 進行建模，構成虛擬景物，并融入真實場景或物體，從而呈現給用戶一個虛擬對象與真實環境融為一體的增強現實環境，擴展了虛擬現實應用。雖然目前 AR 技術已應用到娛樂、訓練、醫療和教育等各個方面，但目前 AR的進一步應用還是受到虛實交互相關的關鍵技術研究的限制。虛實交互技術指的是在 AR應用中，虛擬物體與真實場景、物體或交互工具間的交互技術。

碰撞檢測算法作為虛擬現實（Virtual Reality，VR）領域中的一個重要組成部分，其主要作用是判斷虛擬空間中的兩個物體是否共享了部分空間。隨著 VR 及其子領域增強現實（Augmented Reality，AR）的快速發展，人們對虛擬場景的真實感要求越來越高，能夠滿足實時性和精確性的快速碰撞檢測算法成為了研究熱點，其中基于包圍盒的碰撞檢測算法尤為受到關注。在 AR 中，由于虛擬場景混合在真實世界中，更需要實時的碰撞檢測以保證逼真效果。本文對基于包圍盒的碰撞檢測算法做了深入研究，提出了一種改進的高效算法;基于本文提出的高效碰撞檢測算法實現了若干具有交互性的增強現實應用。

（1）綜合分析了各種包圍盒的特點，特別是 Sphere 包圍盒和 OBB 包圍盒的構造過程;深入研究了 Sphere 和 OBB 結合形成的混合包圍盒層次結構，以及基于這種混合結構的剛體間的碰撞檢測算法。

（2）分析和研究了增強現實開發包 ARToolKit，利用本文提出的高效碰撞檢測算法在 ARToolKit 中設計并實現了一種簡單的交互功能;結合開源的物理引擎 ODE 和本文提出的碰撞檢測算法，基于 ARtoolKit 開發包設計并實現了高爾夫球運動中的推桿過程的具有交互性效果的增強現實模擬應用，程序運行結果顯示，增強現實效果明顯，交互性比較強，這些應用顯示了算法的穩定性和可用性，并展現了增強現實的應用前景和吸引力。

（3）提出利用 AIS 算法檢測 AR 應用中是否有虛擬與實際物體在交互過程發生碰撞;提出了 AR 碰撞后虛擬物體響應變形的體素 CA 變形模型（VoxelDeformation Cellular Automata， 以下簡稱 VDCA）。AR 碰撞檢測技術包括在 AR應用中檢測虛實碰撞事件的發生并在碰撞發生后進行快速碰撞響應。無論是檢測碰撞的發生還是對于碰撞的響應，都要求實時處理，對于碰撞響應，更要求有較快的實時渲染算法。由于 AIS 算法具有分類精確，對于原始數據維數與其它要求不敏感等特點，因此，本文對于碰撞檢測中的快速高維數據處理的難題，創新地引入了啟發式的算法 AIS，建立調整相關 AIS CD 的實時處理模型，很好地解決了AR 應用中虛擬與實際物體交互中的碰撞檢測發生的檢測問題，并進行了仿真分析。

二、碰撞檢測及算法

碰撞檢測是用于判斷若干物體在某一時刻是否占有相同區域的技術，它在CAD/CAM、計算機圖形學、3D 游戲、機器人、虛擬現實和計算機仿真等領域中都非常重要。譬如，在增強現實系統中，由于虛擬場景和真實世界混合在一起，為了避免用戶產生視覺錯亂，碰撞檢測技術就必不可少。由于其重要性，在數十年的碰撞檢測算法研究過程中，人們提出了非常多的方法。當前，研究最多、最優秀的顯然是包圍盒分層結構法。

在基于包圍盒的碰撞檢測算法中，RAPID非常重要，該算法的提出者創新地提出并優化了用于 OBB 相交測試的分離軸測試法，簡化了 OBB 包圍盒的簡單性，從而可以利用 OBB 的緊密性構建出實用的 OBB 層次包圍盒樹和相應的碰撞檢測算法，并吸引更多研究者加入基于 OBB 的碰撞檢測算法研究當中，這其中包括 SAT lite 算法和 Dual算法的作者們。其中，Dual 算法的提出比較晚，其文獻于 2010 年發表在 Computer-Aided Design 學報上，因此本章提出的改進算法主要與 RAPID 和 Dual算法做性能比較。

包圍盒的主要類型有球包圍盒（Sphere）、軸對齊包圍盒（AABB）、方向包圍盒（OBB）、離散方向多面體（k-dops）和固定方向凸包（FDH）。球包圍盒和軸對齊包圍盒的簡單性好，與之相反，方向包圍盒和固定方向凸包簡單性差但緊密性好。離散方向多面比較特殊，它的這兩個特性有一定的折衷。目前，開始有一些研究采用混合包圍盒來同時獲得好的緊密性和簡單性，如 J.W. Chang 等人提出的 Dual 算法。

與 Dual 算法類似，本文算法基于 Sphere-OBB 混合結構并致力于降低 RAPID算法的 Cv，也就是改善 OBB 的簡單性。但本文算法相比 Dual 算法，其 Nv增加（與RAPID 相比）的更少，Cv也降低了更多。本章算法的切入點是 Dual 算法失靈的地方，即 OBB 各個邊長一樣長以及長短差別不大的情形。在這種情況下，Dual 算法的 OBB相交測試的精確性下降較大甚至很低。而本文的算法根據兩 OBB 的相對方向信息，在很大概率上推導出能分離 OBB 的分離軸，從而解決 Dual 算法的缺陷，特別是對于OBB 各邊長度差別不大的情形。

盡管越來越多的文獻在致力于各種更實用的碰撞檢測算的研究，例如多核并行環境下的、基于 GPU的以及物體可變形的等等，但是研究剛體間的純粹的碰撞檢測算法仍有價值，因為很多其他各種形式的碰撞檢測算法本質上仍基于這些基本的算法。

三、 基于包圍盒的碰撞檢測算法研究現狀

層次包圍盒樹（Bounding Volume Hierarchy）技術的主要思想是利用一個簡單的幾3何體將比較復雜的虛擬物體包圍住，并分層次從整體到局部建立包圍盒的樹狀結構;當檢測兩個已建立層次包圍盒樹的物體是否碰撞時，首先檢查兩個物體的頂層包圍盒是否相交，若不相交，則判定兩個物體未碰撞，否則再對次級包圍盒進行相交測試，直到葉子節點，即最底層的包圍盒所包圍的構成物體的基本幾何元素。因為包圍盒之間的相交測試相對比較簡單，且不相交的包圍盒，其較低層次的包圍盒之間以及對應的基本幾何元素之間肯定不相交，所以這種方法可以快速排除很多不需要檢測的基本幾何元素，從而大大加快碰撞檢測的速度。基于層次包圍盒結構的碰撞檢測算法的時間復雜度可以由概括性的公式（1.1）來表示：

T= Nv × Cv + Np × Cp （1.1）

式中各個參數的含義如下：

T：算法執行的總時間，Nv：包圍盒相交檢測總對數，Cv：包圍盒相交檢測平均花費的時間，Np：組成虛擬物體的基本圖元的相交檢測總對數，Cp：圖元對相交檢測平均花費的時間。Nv 和 Np與包圍盒的緊密性（tightness）相關，而 Cv與包圍盒的簡單性（simplicity）相關。因此，算法的時間復雜度與建立層次樹所使用的包圍盒的緊密性和簡單性有很大關系。包圍盒的主要類型有包圍球（Sphere）、軸向包圍盒（Aligned Axis Bounding Box，AABB）、方向包圍盒（Oriented Bounding Box，OBB）、k-dops（Discrete OrientationPolytopes）包圍盒和固定方向凸包（Fixed Direction Hull，FDH）等。

其中，Sphere和 AABB的簡單性相對較好，但是緊密性比較差;與之相反，OBB和 FDH的簡單性比較差但緊密性好。k-dops則比較特殊，它的這兩個特性的好壞取決于 k 的取值，是有彈性變化的，一般來說 k 越大，緊密性越好，復雜性也越高，選擇合適的k 值才能實現較好的綜合性能。各種包圍盒均有一定的優勢和缺點，都不能適用于所有場合，因此有必要結合多種包圍盒的優點來構建混合層次包圍盒樹，以進一步提高碰撞檢測算法的速度。由于物體旋轉時 Sphere 包圍盒不需要更新，因此這也是它的一個優勢之一;OBB 包圍盒緊密性比較好，降低它的相交測試復雜性可以成為一個研究方向。

近年來出現了將 Sphere 和 OBB 相結合的做法，可以同時利用 Sphere 的簡單性和 OBB 的緊密性以獲得更好的綜合性能，如：Jung-Woo Chang提出的 Dual 算法同時利用了 Sphere 和 OBB。本文的改進算法亦基于此，并致力于簡化 OBB 相交測試。Gottschalk S最先在 RAPID 算法中提出了基于分離軸測試的 OBB 相交測算法，極大地增加了基于 OBB 的碰撞檢測算法的適用范圍。Van Den Bergen和 Jung-Woo Chang等人分別提出了針對分離軸測試的改進算法，其核心是相比 RAPID 算法，犧牲 OBB 相交測試結果的精確性，換取測試過程的簡單性。

Van Den Bergen 提出的算法稱為 SAT lite，其算法在進行 OBB 相交測試時僅僅在6 個方向向量上進行分離軸測試，其算法速度比 RAPID 算法有所提高。Jung-Woo Chang 提出的 Dual 算法利用了 Sphere-OBB 混合結構，在 OBB 相交測試中，只使用長度較短的 5 個軸進行分離軸測試。Dual 算法與 SAT lite 相比，其 Cv有所增加，而 Nv有所減少，總體性能高于 RAPID 和 SAT lite 算法。

靜態碰撞檢測是指某一時刻針對物體進行的一次碰撞檢測，在一個動態虛擬環境中，一般隔一定的時間段進行一次靜態碰撞檢測，這稱為離散碰撞檢測算法。離散碰撞檢測算法存在漏檢和穿刺等問題，需要通過一些優化方法來消除或降低這些問題所產生的影響，如自適應步長法、回退法等。連續碰撞檢測算法可以更好地解決這些問題，但是這類算法的計算速度比較慢，特別是在大規模虛擬場景中很難實現實時的碰撞檢測;因此，雖然離散碰撞檢測算法存在一些缺陷，但由于其速度較快，能夠實現較好的實時性需求，目前仍是碰撞檢測研究領域的熱點。而離散碰撞檢測算法是基于靜態碰撞檢測的，因此提高剛體間的靜態碰撞檢測速度仍非常有價值。

四、利用增強現實展現碰撞檢測算法的測試過程

非一個增強現實應用，只是利用增強現實的與真實世界融為一體的特殊效果來展現碰撞檢測算法性能的測試過程。傳統的碰撞檢測算法的測試，如第三章所敘述的，在測試過程中，只能看到很多數字，即便用圖形系統渲染出來，也只能在屏幕上看到平面效果，而且無法隨意地切換角度觀察物體的距離和相互之間的方位。本節使用增強現實開發包 ARToolKit 將用于測試碰撞檢測算法性能的兩個虛擬物體注冊到標識物上，而測試用的位姿數據則先于注冊位姿矩陣 M 與虛擬物體作用，在 OpenGL 渲染系統中，即先將測試用位姿矩陣壓入模型視圖矩陣堆棧，再將注冊位姿矩陣 M 壓入模型視圖矩陣堆棧。這涉及到 ARToolKit 與 Benchmark 程序的結合 過程：

首先Benchmark 程序從文件中獲取物體的三角面片信息和測試用的位姿數據，并更新物體的狀態;然后，ARToolKit 從 Benchmark 中獲取物體的信息，并使用位姿信息進行渲染; Benchmark 將物體之間是否發生碰撞和使用被測試的碰撞檢測算法測試當前狀態的物體所花費的時間以及其他數據發送給 ARToolKit;最后：ARToolKit 將測試結果信息顯示出來。

參考文獻：

[1]王. 虛擬現實中碰撞檢測關鍵技術研究[博士學位論文]. 長春： 吉林大學，2006： 1-2

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關鍵詞：虛擬現實；多媒體技術；結合；建筑景觀設計

21世紀計算機技術高速發展，在各個領域均有應用。計算機技術越來越先進，帶來更多的視覺感官體驗[1-2]。計算機的三大網絡通信分別是多媒體技術、網絡技術以及虛擬現實技術（簡稱VR）。而現代虛擬現實的運用，可給人們帶來豐富的體驗，各行業內的發展可能都與該技術相關，現代多媒體技術與虛擬現實的結合也越來越密切。虛擬現實技術對建筑景觀設計起了促進的作用。

1虛擬現實的發展與現狀

1.1虛擬現實

虛擬現實技術興起于20世紀，結合了計算機圖形學、多媒體技術、人工智能、數字圖像處理等多個信息分支的成果，是一門較為綜合的科學計算信息技術。虛擬現實技術是指存在與計算機之中，虛擬的空間，但這個虛擬的空間利用了計算機技術創造了一個集視聽、觸覺于一體的空間虛擬環境，即虛擬的現實空間。該技術的主要功能是通過某種聯系，使人與該種虛擬的環境中游歷，通過機器與人的聯系，實現人在虛擬的環境中達到最真實的感受[3]，與該虛擬環境進行交流。虛擬現實技術是通過計算機設計生成仿真三維空間以及視、聽、嗅等感官，用戶借助機器，實現在真實的自然環境中的體驗。當使用者移動時，計算機會進行復雜的運算，準確的傳回3D世界影像，從而產生臨場感。該技術旨在使人體驗設想的環境，廣泛應用于各大設計以及娛樂行業。

1.2景觀設計中的虛擬技術

以往的景觀設計通過手繪圖紙實現預覽，但在施工完成后，建筑物還是會存在用戶不滿意的地方。因此將景觀設計與虛擬現實結合起來是非常有必要的。虛擬現實與景觀設計的結合經歷了漫長的時間，技術研發人員從最初的圖形處理技術到設計專業建筑行業軟件，類似于3Dmax等軟件的開發和完善，使得三維的空間立體圖像越來越真實，效果可以與真實的物體相比較。通過計算機的計算，給人視覺、聽覺、嗅覺等感官真實的體驗，可以在施工前根據用戶的需求修改，對于建筑行業的發展十分有益。

1.3虛擬現實的發展情況

虛擬技術正處于高速發展的時候，各個國家均致力于它的研發與完善，并且認識到該技術的廣闊發展空間，可以應用到各個領域。在虛擬現實技術方面的起步較晚，直到90年代產生了一批優秀的藝術家和藝術作品之后，數字媒體技術才在藝術領域展開應用，隨后普及。建筑效果圖、動畫、電影、游戲等均開始使用數字媒體技術，后期更是將虛擬現實技術結合起來，給用戶最佳的體驗。

2VR技術的優勢

2.1沉浸式—創造全新視野

沉浸是指利用虛擬現實技術將用戶從以往的觀測者轉變為參與者，通過與儀器的聯系，置身于虛擬現實的環境之中，體驗計算機提供的虛擬現實空間，用戶能夠全身心的投入其中，并且有感官的體驗，產生身臨其境的感覺[4]。虛擬現實技術不僅能夠給用戶帶來真實的體驗，也改變了設計師傳統的設計方式，增加了設計師的空間維度。設計師不再局限于傳統的二維平面，而是利用軟件設計真實的三維場景。設計師可以從任意的角度來觀測自己設計的作品，這使得原來的設計師的工作難度降低。并且通過全方位的視覺體驗，設計師可以輕易地發現自己的設計錯誤并改正。虛擬現實可以增加團隊的合作，同步的完成設計，通過共同工作塑造一個建筑空間，避免團隊工作的重復性，提高整體的工作效率。除此之外還可以實現設計者與用戶的互動，使得設計更加的完整。

2.2交互性—形成動態體驗

交互是指參與者可以操作虛擬環境中的物體，還可以從環境中獲得反饋的信息，使得機器能夠滿足人類的要求，實現更高潛能的發展。虛擬現實可以幫助設計師在虛擬環境整改和完善其作品，建筑景觀設計師，可以借助SketchUp或AutoCAD等軟件就能使用虛擬現實系統。在虛擬現實的環境中得到最真實的體驗，使得設計者能夠在設計的過程中及時改正錯誤的部分和設計的瑕疵。目前虛擬現實的發展較好，從三維到現在的結合感官，建筑師可通過該技術與其作品“對話”，還可有效的保證設計師思維的連續性，有效地提高了設計的整體效率。

3VR技術對于建筑景觀設計的意義

在建筑行業中，三維繪圖早已應用在建筑行業中，然而三維繪圖僅能給人靜態的視覺體驗，不能實現動態的交互體驗[5]。虛擬現實有效的改變了這一點，不僅實現三維畫面，還有感官體驗，借助儀器數字化的人機接口。通過計算機復雜的計算，將自己置身于設計的景觀之中，到達最真實的體驗。在建筑智能景觀的設計規劃中，利用虛擬現實的技術建立一個虛擬的真實環境，可以確保該設計的全方位的規范性。虛擬現實技術在未來必將大范圍的應用于建筑景觀設計的行業。目前世界的整體信息化水平不斷提高和發展，建筑經景觀設計師摒棄傳統的設計方式，轉而使用虛擬技術的方法。建立一個更新的思維方式和設計方法，培養更好的設計習慣，讓設計師發揮更大的想象力，擺脫掉原有的設計障礙，以更開闊的視野設計更優秀的作品，利用虛擬現實的技術，使的建筑景觀設計更全面。在建筑景觀設計規劃的過程中，利用虛擬現實技術，采用科學的預測和分析的手段，以及參與社會大眾參與評選的手段，可以全面的確保整個設計的合理性、規范性、大眾喜愛度等，具有較高的意義。

4結束語

虛擬現實的優勢在于實現沉浸交互的設計體驗，而這種體驗可以幫助設計師完成更好的設計作品，使得設計變得有趣、生動、簡單，對復雜的建筑物更是起了巨大的幫助作用。在進行建筑景觀設計時，虛擬現實有著很大的優勢，解決傳統設計不能解決的問題。目前虛擬現實技術已經蔓延到各行各業中，建筑師可以借助虛擬現實技術進行建筑的設計。未來這項技術還會不斷發展，研發出更優秀的軟件，應用到建筑景觀設計中。

作者:周文哲 單位:深圳市朗程師地域規劃設計有限公司

參考文獻：

[1]錢婧.虛擬現實技術對建筑景觀設計的時空重構[D].浙江師范大學,2012.

[2]黃智冠.多媒體介入當代景觀的研究[D].華南理工大學,2010.

[3]劉藝.虛擬現實技術對于建筑景觀設計應用[J].藝術科技,2015,(3):178.

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關鍵詞：互聯網電視;承載網絡

中圖分類號：TP393.01文獻標識碼：A文章編號：16727800（2011）012012002

作者簡介：鄭毛祥(1964-)，男，湖北天門人，碩士，武漢鐵路職業技術學院副教授，研究方向為計算機通信；蘇雪（1972-），女，甘肅武威人，碩士，武漢鐵路職業技術學院講師，研究方向為計算機網絡。

0引言

IPTV是承載于 IP 網絡的一種電信級業務，按各功能操作特點，可以分成4類業務：流媒體類、通信類、游戲類和信息服務類。流媒體類包括音視頻點播和音視頻直播。通信類業務包括視頻通信和短信。游戲類業務包括單機游戲和聯網游戲。信息服務類業務是通過 STB 對信息進行瀏覽，提供Web 和視音頻等多種方式。流媒體類業務對帶寬需求較高，通信類業務對實時性要求很高。下文分析和探討了IPTV業務承載網絡解決方案和演進發展要求。

1IPTV業務承載網絡結構及組成

IPTV業務系統及其承載結構如圖1所示。IPTV業務承載網包括寬帶接入網、城域骨干網和骨干承載網三個層面。寬帶接入網部分完成用戶機頂盒到IPTV業務接入控制點之間的直播/組播業務流的承載；城域骨干網完成省中心到區域中心或業務接入控制點之間的直播/組播業務流的承載，以及區域中心到業務接入控制點之間的直播/組播業務流的承載。

當前，在骨干承載，IPTV業務與互聯網業務是分離承載的。在城域骨干，既有集中也有分離的組網方案。在寬帶接入，是融合承載互聯網業務和IPTV專有業務的。

2主要業務承載實現方案

2.1直播業務

2.1.1骨干網

全國性的電視廣播節目從內容運營中心傳輸到省業務運營中心時其流量及流向是確定的，所以在骨干網可通過多種方式承載電視廣播節目，包括應用層廣播內容傳輸、CDN系統應用層組播、骨干網動態組播方案。

圖1IPTV業務承載網體系結構

（1）應用層廣播內容傳輸方案：利用傳輸線路（MSTP/RPR/裸光纖/SDH等）推送到省份中心節點。

（2）CDN系統應用層組播方案：通過CN2高性能網絡承載；使用Splitter方式旁路CacheServer，提高IPTV業務流承載質量。

（3）CN2骨干網動態組播方案：如圖2所示，在CN2骨干網內啟用動態組播路由協議。CN2骨干網絡采用PIMSM協議，并通過MBGP和MSDP支持跨域組播。

2.1.2城域骨干網

為進一步完成視頻直播業務的推送，將IPTV業務直播內容從省IPTV直播中心送抵城域骨干網業務控制層（BRAS/SR），一般建議采用以下兩種方式：①利用傳輸線路（MSTP/RPR/裸光纖/SDH等）推送到BRAS/SR；②利用單播推送到區域中心，再利用城域組播推送到BRAS/SR。

通過城域網組播承載時，有兩種實現方式：

一種方式是通過各級設備啟用PIM等動態組播路由協議，建立組播源到業務控制點間的組播樹。在城域網匯聚/骨干層設備間啟用PIMSM或PIMDM動態路由協議；在業務滲透率不高時可能引起組播樹的頻繁重建，產生較大延遲。適合IPTV大規模開展之后。

另外一種方式是通過靜態組播配置，在城域網范圍內實現組播數據的透明通道，將送抵城域骨干網邊緣節點的IPTV業務內容按照靜態配置的組播樹路徑送抵寬帶接入網的業務控制點。業務接入控制點靜態加入組播組，匯聚層核心啟用組播路由協議建立組播共享樹，避免組播路徑中的單點設備故障。（適合于IPTV業務開展初期）。

現網中多采用的是靜態組播配置的城域網組播方案來實現直播業務流向業務接入控制點的推送。

2.1.3寬帶接入網

承載IPTV直播業務的寬帶接入網實施方案有兩種方式：一種是BRAS作為業務接入網關方式（單邊緣），一種是SR作為業務接入網關方式（多邊緣）。其中BRAS接入網關方式又按組播復制點的不同分為兩類。具體方案如下：

（1）BRAS接入網關方式。BRAS作為組播復制點方案：

該方案是IPTV業務部署初期選擇的方案。

圖2IPTV骨干層動態組圖3BRAS組播復制

播承載方案業務提供方案

ADSL Modem使用單PVC上聯到DSLAM設備，該PVC可同時承載用戶的IPTV業務和寬帶上網業務。原有的寬帶上網業務與IPTV業務的分離在BRAS上實現。BRAS采用虛擬路由器（VR）的方式，不同的VR為不同的業務提供接入，實現邏輯上的業務分離，并通過各自所屬的Uplink端口（或邏輯子端口）分別上聯到城域網核心層。IPTV用戶和寬帶用戶均采用PPPoE的認證方式，使用不同的PPPoE帳號后綴。BRAS根據用戶帳號的后綴不同，把IPTV用戶終結在專用的VR上。實現兩種業務流邏輯分開，便于管理、分析、統計和QoS的實施。

OLT/DSLAM作為組播復制點方案：

隨著IPTV用戶群不斷增大，BRAS復制點將成為流量瓶頸。有效的解決辦法是組播復制點下降到DSLAM層面。

圖4OLT/DSLAM組播復制圖5雙PVC DSLAM組播復

業務提供方案制業務提供方案

STB采用DHCP認證方式（IPoE），BRAS作為DHCP服務器。BRAS需要完善AAA功能。直播數據流從專門的組播VLAN下發到DSLAM/OLT設備。DSLAM/OLT設備要求能實現跨VLAN組播，即VLAN1000（組播VLAN）的組播數據能送到跟CVLAN100（點播VLAN）成映射關系的PVC/LAN端口上。

（2）SR接入網關方式。如果BRAS在承擔了原來寬帶業務的前提下，在性能、帶寬冗余、QoS能力、組播支持等方面未能滿足IPTV業務的需求，建議IPTV業務接入到專有SR，同時直接過渡到遠期方案，用DSLAM做復制。

ADSL Modem使用雙PVC上聯，一條PVC承載原有的寬帶上網業務，另一條PVC承載IPTV業務。IP DSLAM把從用戶側上來的兩個PVC邏輯鏈路分別映射到各自上聯的VLAN ID。其中一個VLAN提供寬帶上網業務，另外一個VLAN提供IPTV業務。

STB采用DHCP認證方式，SR作為DHCP服務器。SR需要完善AAA功能。

2.2點播業務

點播業務的業務流主要分內容分發流和媒體服務流。內容分發流承載在CN2骨干和城域骨干網上。媒體服務流承載在城域網上。

全國內容運營中心通過CN2骨干網將內容通過存儲CDN分發到各省級IPTV業務運營中心。內容的分發一般是在網絡相對空載時進行的，對承載網的要求不高。同一般互聯網業務對承載的需要一樣。內容的分發采用的是單播方式，通過HTTP或RTSP控制分發流程。

省級IPTV業務運營中心通過城域骨干將內容通過CDN分發到城域網CDN區域中心節點。然后通過城域骨干，把內容進一步分發到位于城域網邊沿的CDN邊緣節點。分發實現方案同上。對承載網的需求和互聯網業務一樣。

IPTV用戶通過寬帶接入網接入到BRAS/SR后，就近訪問所屬范圍的CDN邊緣節點，獲取VoD節目數據。城域網IPTV POP節點至用戶STB，用戶點播的節目應有80%在IPTV 邊緣節點命中，20%在區域中心。點播用戶接入方式同BTV。

參考文獻：

[1]陳巧熙.IPTV承載網解決技術探討[J].中國新通信,2006(8).

[2]劉靜.組播技術以及在IPTV上的應用[C].2007通信理論與技術新發展――第十二屆全國青年通信學術會議論文集（下冊）,2007.

[3]喻文學.IPTV承載網相關技術及問題研究[J].通信世界,2005(14).

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根據原國家新聞出版廣電總局的年度新聞出版產業分析報告，2016年期刊總印數比前一年降低6.3%，總印張降低9.4%；與2016年相比，2017年期刊出版總印數降低7.6%，總印張降低10.1%；與2017年相比，2018年期刊出版總印數降低8.0%，總印張降低7.3%。反觀數字出版，2016年數字出版總收入5720.85億元，2017年數字出版總收入7071.93億元，2018年數字出版總收入8330.78億元。可以預見，隨著時間的推移，數字出版在期刊領域也將承擔越來越重要的角色。由于數字出版的發展和技術發展密不可分，本文嘗試從技術的角度分析數字出版態勢，并進一步探討我國科技期刊的發展態勢以及新技術可能為數字出版帶來的變化。

一、數字出版領域和新技術領域關鍵詞

在數字出版方面，本文研究了2019年數字出版會議和期刊編輯領域的論文來探討數字出版領域的關鍵詞。在技術方面，本文通過調研互聯網的發展了解了新技術的關鍵詞。1．數字出版領域的關鍵詞。2019年，重要的數字出版會議主辦方主要有中國期刊協會和中國新聞出版研究院。會議報告題目關于數字出版的關鍵詞有：數字產業、生態、經濟模式、數據、移動、互聯網、信息技術、5G、AR+、人工智能/AI/機器人、平臺、云計算、新媒體、大數據、創新產品、智慧產品、知識付費、微課程、全媒體、在線、智庫、閱讀、精準、IP、傳播、數字出版、知識服務、融合發展、出版未來、人才等。在期刊調研方面，本文調研了期刊和編輯出版領域的重要期刊——《中國科技期刊研究》《科技與出版》《編輯學報》等，分析了2019年刊發的文章。這些文章涉及數字出版領域的關鍵詞主要有：媒體融合、5G、AR、移動出版、xml/html、共媒體云和自媒體庫、人工智能、平臺、產品、APP、在線、新媒體、區塊鏈、知識圖譜、知識服務、社區服務、精準推送、全媒體、智慧媒體、數字出版、造船、有聲閱讀、賦能、書刊互動、轉型、智庫、知識付費、編輯出版工具等。從上述關鍵詞我們可以分析出，在數字出版方面，期刊和技術方分別都在哪些方面開展了工作，期刊在數字出版方面的融合可以從哪些方面突破。圖1是從2019年度相關會議和期刊論文調研得出的與數字出版相關的關鍵詞。從中可以看出，數字出版會議和相關報告更多地從技術層面出發，考慮技術、產品和運營。數字出版相關論文更多地從編輯出版角度進行分析，涉及期刊出版各環節。關鍵詞方面兩者有所重疊，也有所不同。例如，數字出版相關論文較少關注5G、產品，更多關注和專業以及學術研究息息相關的數據（尤其是科學數據）、知識服務、編輯業務和人才隊伍；而數字出版會議和相關報告則相對較多地關注5G、IP運營等技術或者產品。雙方均關注融合發展、數字出版、人工智能、新媒體等。專業技術團隊和編輯出版團隊已經在一定程度上融合，但是雙方的發力點還是有所不同。因此，若要促進科技期刊融合發展，編輯出版方需要更好地表述自己的需求，技術方也需要更深入地做好需求調研，更好地按照期刊的思路研發產品，如此建設的系統和平臺才能更好滿足期刊出版的需求。上述調研也給數字出版的研究帶來啟發。一方面，研究數字出版可從期刊編輯工作流程出發，研究各個環節中哪些環節可以利用數字化提高工作效率，或者整個工作流程中有哪些困難需要機器幫助解決；或從現有數字出版的實際態勢出發，研究同行在做哪些工作。另一方面，可研究新技術的特點，即研究其可能給數字出版領域帶來哪些變化。2．新技術關鍵詞。那么，我們需要關注哪些新技術呢？哪些新技術能代表新一代互聯網的發展呢？2019年第六屆世界互聯網大會在浙江烏鎮召開，會議的主題是“智能互聯開放合作——攜手共建網絡空間命運共同體”。會上公布了15項代表性領先的科技成果，它們的主要關鍵詞是人工智能、機器、分布式、共享、智慧、自適應、5G等，這些關鍵詞也說明了新一代互聯網技術的重點發展方向，是近幾年技術領域的重點。我們可以看出，隨著互聯網的發展，尤其是和數字出版息息相關的新技術，是5G、大數據、云計算、人工智能、物聯網、區塊鏈、虛擬現實技術等。另外，還有和數字出版領域緊密結合的碎片化技術、語義技術、新媒體技術（微信公眾號、小程序、短視頻等）。下面我們逐一分析這些技術的特點，以便后續進一步探討它們在數字出版方面的應用。5G是下一代信息社會建設的基礎設施，它的特點是高速率、大容量、低延時、低功耗，這些特點使得更多資源可以部署到云上，單位時間可以傳輸更多的內容或者整合更大量的數據；使得虛擬現實、萬物互聯等成為可能；也使得智慧城市、智慧社區等得以實現。從期刊出版的角度來說，5G將可能改變知識內容、平臺、存儲、流通、渠道、服務、消費、終端呈現等的方式，對行業帶來深度的變革。大數據技術包括數據分析技術、事件處理技術、數據流通技術。我們可以從數據采集與處理、數據挖掘與分析、數據存儲與管理、數據展現與應用方面去思考期刊出版相關數據的采集、處理、重新聚合、呈現形式等，思考大數據技術可能為數字出版帶來哪些新的應用。我們可以從分布式存儲方面考慮期刊相關數據庫的架構、設計以及分布式關系模型；可以從數據流通角度考慮期刊數據傳輸的質量、安全等；可以從數量巨大、來源分散、格式多樣的數據中發現新知識、創造新價值、提升新能力，從而考慮新一代數字出版服務業態。云計算是一種基于互聯網的超級計算模式，云計算的計算速度甚至達到每秒10萬億次，可以將繁多的系統以及云資源連接在一起以提供各種服務。云計算的特點是可以有效兼容各種不同種類的硬件和軟件，支持資源以及新業務的動態擴展，具有高可擴展性；支持多業務體系按需服務，按需配備計算能力和資源；使用數據多副本容錯和計算節點同構可互換等措施來提高可靠性；使用戶突破時間和空間的限制享受虛擬現實的服務；支持海量信息處理以便提供超大規模服務等［1］。云計算技術逐漸成熟，將使得對運算能力要求高的產品得以運用，使得對運算能力要求高的服務得以實現，使得跨空間、跨時間的虛擬服務成為現實，使得跨平臺、跨數據庫的資源得以快速整合。人工智能產業在大數據、深度學習算法、計算能力三大要素的推動下逐漸成熟，人工智能研究讓計算機模擬人的思考過程以及智能行為，如學習、問題求解、自動推理、智能檢索、思考、規劃等，其相關的技術包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理等［2］。期刊可以思考，現階段或者未來在數字出版中，哪些環節可以用計算機或者機器人來實現，思考利用計算機和機器人可以幫助我們實現哪些人工難以完成的工作。物聯網作為信息通信技術的典型代表，其技術和應用的普及以及逐漸成熟，將推動人類社會進入萬物互聯的新時代，可穿戴設備、智能家居、自動駕駛汽車、智能機器人等新設備將接入互聯網。這使得未來學術出版物的產品、終端等呈現多樣化。根據物聯網的特點可以更多地思考學術出版的產品以及終端。區塊鏈技術的特點是去中心化、分布式和安全。期刊可以從這三個特點考慮在這方面有要求的產品和環節。虛擬現實技術包括VR（虛擬現實技術）、AR（增強現實技術）和MR（混合現實技術）。VR是利用電腦模擬產生虛擬世界，讓使用者如同身臨其境一般，是純虛擬數字畫面。AR是通過電腦技術將虛擬的信息應用到真實世界，真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到同一個畫面或空間，是虛擬數字畫面和裸眼現實。MR包括增強現實和虛擬現實，指的是結合數字化的現實世界和虛擬世界而產生的新可視化環境，MR是數字化現實加虛擬數字畫面。虛擬現實的特點將使得學術傳播更加真實、直觀、多方位、多角度。和期刊緊密結合的語義技術、碎片化技術、新媒體技術、視頻技術等，這些期刊界比較熟悉，這里不再贅述。

二、我國科技期刊數字出版狀況

根據《中國科技期刊發展藍皮書（2017）》統計，我國科技期刊中，5020種期刊共有1375個主管單位、4381個出版單位。平均每個出版單位出版1.15本期刊，僅出版1種期刊的出版單位就有4205家［3］。我們可以看出，我國期刊眾多，但是小而散，這些小而散的科技期刊很難有比較強的經濟實力單獨開展數字出版的轉型。尤其是和國際大出版商相比，我國科技期刊的數字出版還落后很多。進行國際合作的英文學術期刊，充分利用國際數字出版平臺，在一些流程中實現數字化，是眾多國內英文科技期刊的選擇。即使如此，我國科技期刊一直堅持不懈地利用一切可利用的資源逐步摸索出自己的數字化發展之路。在科技期刊數字出版過程中，期刊出版人體驗了如圖2（1）到（5）所示的媒體傳播發展過程。尤其是近幾年，科技期刊媒體融合技術和產品日新月異，科技期刊、期刊集群、超大規模刊群均在數字出版和媒體融合方面做了大量探索，并取得一定的成績。圖2媒體傳播的發展1．期刊的數字出版我國科技期刊在數字出版方面側重于期刊出版全流程的數字化以及為學科服務。目前，我國科技期刊出版流程中很多環節已經實現了數字化、融媒體發展。科技期刊數字出版的重點是采編審校、出版、學術傳播和知識服務等環節。在出版方面，我國很多科技期刊除出版整期外，還做優先出版、預出版，也有期刊支持已經提交預印本庫的文章，還有期刊平臺支持連續文章出版。相當數量的科技期刊實現了xml制作、html展示、全媒體出版，并實現一次制作多元，還支持讀者針對文章內容、圖、表等進行交流和評論，甚至記筆記、翻譯和分享。我國有100多家期刊加入雙語出版，使得中文期刊的文章被翻譯后得以在海外傳播。也有期刊打造多媒體欄目，有的視頻，通過多媒體的方式為讀者直觀地呈現原始的研究成果和重大發現。在學術傳播方面，期刊也是百花齊放。有的通過論文改編或者寫文章評論的方式在其他平臺進行學術推廣；有的充分利用各種數據庫、社交平臺、學術傳播平臺、學術媒體進行學術傳播，例如《中國科學數據》的平臺可以直接對接ResearchGate傳播期刊論文；有的開通微信、微博、博客等進行學術社交；有的做精準推送；有的增加在線的微視頻、音頻等內容；有的充分利用新媒體領域的短視頻平臺，如今日頭條、九州云播等開展專業領域的學術推廣活動。在知識服務方面充分發揮學科特色，如將研究區域嵌入地圖，進行線上線下推送相關專業信息、科普信息等；或者充分利用淘寶、抖音、快手等平臺展示專業內容或科普內容。2．期刊集群的數字出版期刊集群側重為所屬期刊提供各種單刊不易實現的服務，降低刊均成本。例如，學科刊群比單個期刊容易整合更多學科資源，為本學科提供更豐富的服務，并且還能為所屬期刊提供多種出版服務，進行整體學術推廣，相比單刊有更大的學術影響力。近些年有眾多聲音指出，我國科技期刊很難與國際大出版商同臺競爭的原因是我國期刊小散弱，因此呼吁我國期刊規模化發展和集群化發展。這些年也確實形成了一系列的期刊集群，并逐年擴大，如中華醫學會醫學期刊集群、科學出版社期刊群、高等教育出版社期刊集群、清華大學出版社期刊群、浙江大學出版社期刊群、中國光學期刊群、中國地理資源期刊集群等。這些期刊群均建設了自己的網站，并獲得了一定的資金支持。在資源整合方面，如中國材料期刊網實現了期刊資源的集成，除此之外還整合了圖書、專利、專家、會議等學科資源，并增加了虛擬專輯、會議系統等。中國煤炭網有期刊庫、專題庫、專家庫、視頻庫以及煤炭視聽板塊（專家報告、特別訪談、煤炭科普、會議活動等），整合了行業資源。在平臺建設方面，清華大學出版社期刊集群平臺實現了預出版、OA出版等，還制定TUP-JATS的xml標準。浙江大學出版社期刊中心實現了全流程的數字化期刊集群平臺建設，平臺集投審稿、內容、運營推廣、讀者服務于一體，打通底層數據，實現多終端訪問。中華醫學會建設CAMJATS標準，采用統一的標準處理期刊相關數據，曾中標國家數字復合出版工程的試點單位和示范單位，并升級采編平臺以及出版平臺，進一步進行資源整合，實現采、編、審、排、加工、多形態、富媒體出版、移動出版、質量管理、新媒體學術推廣、期刊銷售、會議服務等一體化、現代化的出版和服務體系。高等教育出版社實現采編、運營管理、數字化生產、數字化平臺建設、市場營銷與海外合作的體系化發展。在學術推廣方面，國內的期刊集群化平臺常對接一些學術評價和學術推廣平臺，例如Almetric、TrendMD、Kudos、PubMed、CSCD、百度學術等。在知識服務方面，國內的學科期刊集群通常整合該學科的各種學術資源，為該學科研究人員提供知識服務，或者為期刊、編輯等提供行業服務。例如中國激光雜志社提供協同會議系統、DOI注冊、編輯加工等行業服務，該集群通過舉辦會議聚攏專家資源和學術資源，同時也為光學領域提供服務［4］。3．超大期刊集群的數字出版國內的超大期刊集群，有知網、萬方、維普、龍源、超星等，特點是能更好地利用大數據資源和技術為期刊出版的上游、期刊出版環節以及期刊出版的下游提供服務。下面以知網為例敘述超大期刊群的數字出版。知網整合了我國95%以上的中文學術資源，擁有我國最大最全的中文學術資源庫，也擁有我國最廣最全的讀者群。知網在期刊上游環節，為作者以及研究人員提供的服務有：如何查資料、如何申請課題、怎么做實驗、怎么做科研等信息；讀者可通過中國知網、CNKISCHOLAR、全球學術快報、CNKI知識元搜索（碎片化地搜索圖、表、概念、數字……）等檢索學術論文、基金、碎片化資源、全媒體資源等；可以通過龐大的學者成果庫、學者圈子等獲取專家信息，進行學術社交；可以通過研究型學習平臺獲取或者管理自己關注的學術資源；可以通過大數據研究平臺利用統計數據獲取學術熱點等信息。在期刊全流程出版環節，編輯可以利用選題策劃、學術熱點、期刊按需出版中的用戶分析等模塊進行選題策劃，利用采編排發一體化出版系統（包括學術不端檢測、文章創新性檢測、

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關鍵詞：航向控制；極點配置；遺傳算法

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）12-2871-03

1 船舶航向控制概述

目前，水運是完成地區之間、國與國之間大宗貨物貿易最有效最經濟最廣泛的運輸方式。船舶在海上航行時，不可避免地要偏離給定航向，導致這種現象的原因是船舶受到海風、海流、海浪等海洋環境擾動的影響。船舶航向的改變會導致較大的航向偏差，進而導致航行距離的增大及運輸成本的增大，也會對船上的設備、貨物及乘員產生不利影響。為了節省能源和盡快到達目的地，必須盡量減小航向偏差[1]。

船舶的航向控制直接影響到船舶的操縱性能、安全性能和經濟性能，航向控制問題本身是一個復雜而重要的問題。不論何種船舶，為了完成使命，必須進行航向控制。船舶推進、運動與姿態的操縱控制、船舶運動機理等問題目前已經引起了學術界的廣泛關注，相關的研究成果已經發表，見文獻[2-6]。

隨著現代社會對自動化設備需求量的增加以及對于自動化設備技術水平要求的提高，人們對船舶的自動控制裝置（自動舵）的需求和要求也逐步提高[7]。自動舵是保證船舶自動導航時的操縱性能的關鍵設備，其主要功能是用來自動保持船舶在給定航向或給定航跡上航行。基于自動舵的航向控制具有較高的研究價值。

本文將介紹基于極點配置方法以及基于遺傳算法的航向控制策略。

2 船舶航向控制策略研究

下面結合工作實踐，討論船舶航向控制問題。

2.1 基于極點配置方法的船舶航向控制

在基于極點配置方法研究船舶航向控制問題之前，我們需要首先建立六自由度剛體運動方程。

定義：

[f0=τ1=[X，Y，Z]T] 為外部力

[m0=τ2=[K，M，N]T] 為外部力關于坐標原點的運動

[v0=v1=[u，v，ω]T] 為[[X0，Y0，Z0]]的線性速度

[ω=v2=[p，q，r]T] 為[[X0，Y0，Z0]]的角速度

[rG=[xG，yG，zG]T] 為重心

則可以得到如下的運動方程：

[m[u-vr+wq-xG（q2+r2）+yG（pq-r）+zG（pr+q）]=Xm[v-wp+ur-yG（r2+p2）+zG（qr-p）+xG（qp+r）]=Ym[w-uq+vp-zG（p2+q2）+xG（rp-q）+yG（rq+p）]=ZIxp+（Iz-Iy）qr-（r+pq）Ixz+（r2-q2）Iyz+（pr-q）Ixy+m[yG（w-uq+vp）-zG（v-wp+ur）]=KIyq+（Ix-Iz）rp-（p+qr）Ixy+（p2-r2）Izx+（qp-r）Iyz+m[zG（u-vr+wq）-xG（w-uq+vp）]=MIzr+（Iy-Ix）pq-（q+rp）Iyz+（q2-p2）Ixy+（rq-p）Izx+m[xG（v-wp+ur）-yG（u-vr+wq）]=N]

以上方程可以寫成更簡單的形式

[MRBν+CRB（ν）ν=τRB] （1）

其中[ν=[u，v，w，p，q，r]T]表示線性及角速度向量，[τRB=[X，Y，Z，K，M，N]T]表示外部力及時刻所構成的擴展向量，矩陣[MRB]，[CRB]的定義見文獻[8]。如果只考慮sway-yaw和roll，由（1）可以得到如下的狀態空間模型，

[v（t）r（t）ψ（t）p（t）?（t）=-1Tv0000KvrTr-1Tr00001000ω2nKvp00-2ξωn-ω2n00010v（t）r（t）ψ（t）p（t）?（t）+KdvTvKdrTr0ω2nKdp0δ（t）+001Tr0000ω2n00ωψ（t）ω?（t）]

定義[x（t）=vT（t）rT（t）ψT（t）pT（t）?T（t）T]，[ω（t）=ωTψ（t）ωT?（t）T]，則以上狀態空間模型可以簡化為

[x（t）=Ax（t）+B1δ（t）+B2ω（t）] （2）

其中矩陣[A，B1，B2]與上面狀態空間模型的各個矩陣相對應。

對于（2）所描述的系統，我們采用極點配置方法研究解耦控制器設計問題。

將公式（2）中的舵角控制器分解為[δ（t）=δroll（t）+δyaw（t）]。選擇[δroll（t），δyaw（t）]分別為

[δroll（t）=-G1p（t）-G2?（t）δyaw（t）=-G3r（t）-G4（ψ（t）-ψd）]

其中[G1，G2，G3，G4]為調節器增益矩陣。

為利用解耦的極點配置方法，我們采用如下的解耦模型

[s2+2ξnωns+ω2n=ω2nKdpδroll（1+Trs）sψ（s）=Kdrδyaw（s）]

可以根據如下方程來計算調節器增益矩陣[G1，G2，G3，G4]，

[2ξnωn+ω2nKdpG1?2ξ?ω?（1+KdpG2）ω2n?ω2?1+KdrG3Tr?2ξψωψKdrG4Tr?ω2ψ]

另外，為保證頻率分離，所設計的控制器應該滿足如下條件：

[ωψ1-2ξ2ψ+4ξ4ψ-4ξ2ψ+2

對于零點在右半象平面的船舶，艏搖的帶寬必須小于右半平面的最小零點。因此艏搖的帶寬有可能十分接近縱向旋轉的帶寬。因為我們必須進行頻率分離，這樣可能會導致系統性能較差。用現有文獻中的一些簡化模型并不能分析到這些影響系統性能的因素，然而，用本文的模型可以有效地解決該問題。

2.2 基于遺傳算法的船舶航向控制

遺傳算法 （Genetic Algorithms） 是解決高度復雜工程問題的一種計算方法[9]，其基本原理是仿照基因遺傳學原理和生物進化自然選擇過程進行優化搜索。

2.2.1 遺傳算法的基本原理

遺傳算法是基于“優勝劣汰，適者生存”的生物進化理論發展起來的，其基本思想是將欲求解的問題進行編碼，每一個可能解均用字符串形式表示。其基本操作包括選擇、交叉和變異。應用遺傳算法對一個實際問題進行優化的一般步驟如下：

第一、確定決策變量及各種約束條件。第二、確定目標函數的類型及數學描述。第三、確定表示可行解的染色體編碼方法。第四、確定個體適應度的評價方法。第五、設計遺傳算子，即確定選擇運算、交叉運算、變異運算等遺傳算子。第六、確定遺傳算法的有關運行參數。

2.2.2 基于自適應在線遺傳算法整定的PID航向控制

本節采用遺傳算法，根據航向控制系統的輸入、輸出信息構造自適應度函數，并在每個采樣時間內都要進行參數尋優，即進行PID參數的在線整定，從而達到在線優化的目的。

先按經驗選取一組[Kp，Ki，Kd]參數，然后在這組參數的周圍（小范圍內）隨機產生多組，形成初始種群。在所得到的初始種群的基礎上進一步進行參數整定，這樣處理的優點在于避免參數選取范圍過大的問題，從而減少初始尋優的盲目性，節省計算量[10]。

為了防止產生超調，并獲取滿意的動態特性，采用誤差累積的加權、誤差絕對值、誤差變化率等作為每個采樣時間的某個個體的最小目標函數值。

[J（i）=α|error（i）|+βerror（i）dt+γerror（i）dt]

為了避免超調，采用懲罰功能，即一旦產生超調，將超調量作為最優指標的一項，此時最優指標為

[If error（i）

最后，針對每個采樣時間進行PID參數的遺傳算法優化。在仿真程序中，如果代數Ge大于O，則程序為每個采樣時間進行代數為Ge代的在線遺傳算法整定PID控制器，如果指定代數Ge選為0，則程序退化為不進行遺傳優化的一般PID控制。程序設計流程圖如圖1所示。

圖1 在線整定PID航向控制原理圖

3 結論

船舶航向控制的原理就是操縱人員在自動舵上設定一個所需的航向，船上的羅經測得實際航向和設定的航向進行比較，將比較得到的誤差送入到航向控制器。在控制器中經過運算來實現自動舵的航向控制所需要的控制規律，其輸出信號送到舵角隨動系統中，再控制舵機裝置轉舵。該文主要研究了基于極點配置方法和基于遺傳算法的船舶航向控制問題，所得到的結果對于工程實踐具有一定的指導意義。

參考文獻：

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[3] 賈欣樂，楊鹽生.船舶運動數學模型——機理建模及辨識建模[M].大連：大連海事大學出版社，1999.

[4] T I Fossen.Marine Control Systems-Guidance， Navigation and Control of Ships， Rigs and Underwater Vehicles [M].Norway University of science and Technology，Trondheim，Norway，2002. （下轉第2887頁）

（上接第2873頁）

[5] D Wang， J Huang. Neural Networks-Based Adaptive Dynamic Surface Control for a Class of Uncertain Nonlinear Systems in Strict-Feedback Form[J].IEEE Trans. Neural Networks，2005，16（1）：195-202.

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