基于Maya和3dmax的船员航线考评系统构建
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作者: 沈健 张敬东
摘 要：运用Maya和3dmax软件构建船员航线考试评估系统，使船员航线考试更加“安全、公正、便民”，对提高内河船员引航技能，保障水上交通安全具有一定的作用。
关键词：Maya3dmax航线考试 考评系统
《中华人民共和国内河船舶船员适任考试和发证规则》（2010）规定船员取得《适任证书》后，申请延伸航区（线）的，应当通过所申请航区（线）的适任考试。这种适任考试称为“航线考试”。“航线考试”应当通过对相应船舶、模拟器或者其他设备的操作等方式，对船员专业知识综合运用、操作及应急等能力进行技能测评。
目前内河船员考试机构考试评估工作主要存在两个方面的问题：一是使用传统的实际操作考试模式，实船考试面临着安全风险大、考试租船难成本高，而考试组织效率低，考试的公正、公平性受到质疑等问题。考试评估质量难以达到预期的效果，这一考试方式越来越不适应现代内河水运经济的发展。二是国内少数海事机构开始尝试使用航海模拟器取代实船考试，但目前已建成的航海模拟器系统都是以大型海船和海港为原型建立的系统，在本船模型、航道水域模型、电子海图等多方面不完全适用于内河船舶和内河航道。
船员是水上安全的基础，大批船员需要适应现代船舶引航要求，因此开发研制一种建设周期短、成本低、考试针对性强、试题维护简便、易于推广的船员航线考试评估系统已显得十分必要而紧迫。
船员航线考评系统开发简介
Maya是美国Autodesk公司出品的世界顶级的三维动画软件，应用对象是专业的影视广告，角色动画，电影特技等。Maya软件具有工作灵活，易学易用，制作效率高，渲染真实感极强的特点。3D MAX是美国Autodesk公司旗下优秀的电脑三维动画、模型和渲染软件，全称：3D Studio MAX。通过不断的发展，Autodesk坚持不懈的努力不断更新更高级的版本，逐步完善了灯光、材质渲染，模型和动画制作。广泛应用于三维动画、影视制作、建筑设计等各种静态、动态场景的模拟制作。3D MAX软件特别适合大型场景的建模，可以实现模型效果的最优化。
江苏省地方海事局和南通市地方海事局于2009年开始着手建立“船员航线考试评估系统”。船员航线考试评估系统涉及到大量的航道、建筑、水面、天空和船只等多种类型的模型，鉴于Maya和3D MAX两个软件的优点，在系统构建过程中模拟演示部分可以通过Maya来进行建模、贴图、灯光、渲染，虚拟操作部分可以利用3D MAX来进行制作、合成，因此通过评审和论证，最终使用这两个软件，结合两种软件的优势，建立了多样性的模型，实现建模制作方面的互助互补。
该系统是基于MAYA和3D MAX技术将真实航道等比例建立3D(Three-Dimensional)模型，并针对模型设计虚拟船舶航行操作及演示，船员可以使用普通计算机键盘操纵场景中的对象，这种"实时性"导致了在虚拟场景中的人机"可交互性"，船员在海事船员电子考试计算机设备上进行操作，系统自动评定成绩的考试评估方式，这使船员航线考试更加“公平、公正、公开、便民”。
该系统利用虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术及网络技术较真实地再现船舶在内河航道内的航行，船员仅需要拥有一台PC机就可以通过互联网进行远程学习、训练，大大降低了传统模拟器高成本和环境的限制。同时，借助该系统船员可以反复地进行虚拟操作及训练，让船员在较短的时间内得到实船长期累积才能得到的实际经验，达到提高船员的引航技能的目的。
该系统采用浏览器／服务器(B／S)计算模式 ，由浏览器、Web服务器构成，这种设计模式的三维图像具有立体感强、实时、交互性强等特点，更重要的是具有方便的可维护性和功能上的可扩展性。
船员航线考评系统命题设计要求
1、模拟操作题
船员必须掌握船舶定线制选择航路的规定，操纵船舶在规定的通航分道或航道内行驶，即深水航道内供大型船舶使用的上行与下行通航分道，供小型船舶使用的推荐航路和供部分通航能力受限制的船舶（小型船舶或船队）使用的特定航路。
通过实地采样并结合航道资料，制作等比例三维场景，经过合成形成三维操作场景和动画，最后制作三维场景操作控制（包括船舶的运动速度，方向，碰撞等），以此来考查船员是否能够借助于助航标志和航道资料，正确选择和设计航路。
2、模拟演示题
船员应当掌握船舶定线制需要特别注意的问题和操作，如特定航路的区域、航行警戒区的设置，船舶行驶单向航行控制的航段，有关桥区航路的专门规定，特殊水道航路的专门规定、专用航道的专门规定等，以及船舶定线制关于航行、避让、停泊、责任等方面的要求。
根据命题内容制作三维动画，由系统按照随机规则动态加载到系统中进行评估，以实际半鸟瞰效果为基准。例如：船舶定线制规定了小型船舶横越航道正确操作方法，选择航段制作成3D动画场景，设计并演示船舶横越航道操作过程，考生观看一段模拟演示后对这类操作的正确性做出判断。
3、二维场景题
内河航道不同航段有针对性的航行注意事项，船员需要了解相应航段的航法要点，全面了解重要的航行安全信息，通过考试评估扩大船员的知识面，提高船员对航行资料搜集、分析及运用的能力。
对各航段航行注意事项进行分类研究和总结，绘制评估专用二维场景图，通过photoshop对图片中需要表现的元素进行处理形成命题图。例如：将某一航段可供船舶锚泊的锚地进行处理，在场景图中设置成若干锚地选项，船舶应当如何正确选择锚地，让考生做出正确选择。
4、视频分析题
内河航道由于自然条件的差异，出现个别航段狭窄、弯曲、险浅，某些航段受天气、潮汐、水流等外界因素的影响特别明显，船舶航行时需要采取特殊的方法，这类特殊航路航法重点研究，船员应当掌握特殊河段及特殊情况下的引航操作。
对某些特殊航段的特殊航法评估使用视频题，根据命题内容实地摄像，并整理命题文字与答案，场景调色处理后形成预制命题视频，用以演示船舶航行过程中各种情况。例如：三峡库区定线制水域，由于库区水域面积大，容易起雾；库区航道两山对峙，形成峡谷风，峡谷风风力较大，考生观看一段视频后根据题目要求做出正确判断。
5、考试系统的管理
考试评估系统通过题库管理模块对题目的形式、难易程度、组卷模板等进行管理。试题维护时填写相应的属性（所属航线、题型、难易度、是否必考、考察知识点等），以便系统根据组卷模板要求自动筛选试题。使整个考试相对公正和公平。
命题组合力求合理搭配，模拟操作题、视频分析题、模拟演示题、二维场景题按照1:1:3:4的比例设置，同时根据题目难度设定分值，并保证试题的难易分布合理，让船员考试成绩较为准确地反映其实际操作水平，通过考试评估能客观反映船员的适任能力。
船员航线考评系统的构建及技术实现
1、MAYA三维建模
建模需要对模型有深刻的把握和理解，首先将场景中水面、岸型、水上助航标志、岸上助航标志、河口、烟囱、水塔、码头、吊机、船舶及其他标志性建筑物的三维结构分作研究。根据提取的图纸资料包括大比例尺航摄相片、航道图形文件、建筑物件工程图纸文件。利用 AutoCad进行校正，并且按照一定的比例分别建立模型。
2、模型的处理
模型建模完成之后，需要增加材质和灯光，提高整个系统的真实感。材质和灯光应该是紧密相连的，使其画面更具有真实性。完成各种建筑、景观、植被、河流模型的嵌入与摆放，空间的安排，光影效果的处理。并且针对天空和水面，添加一些特效，增强整个场景的景深效果。
3、剪辑合成
对素材处理后，形成目标文件的过程，叫做渲染。渲染是形成高品质的画面重要环节，动画场景以每一帧的形式渲染出来后，通过AE（After Effect）进行场景调色处理以及增加特效，使画面更有冲击力，最后导出视频。
4、虚拟场景的建立
将MAYA建成的模型、场景导入3D MAX进行后期的处理，放置于特定的交互的 3D环境中，通过相关的插件将整个场景导入到虚拟现实专业的实时场景驱动开发软件，设置漫游条件，包括：场景和自然界的布置、对象物的位置、观察者和场景运动体的位置、场景旋转方法、光照明及环境效果的制定。
结语
利用船员航线考试系统进行内河船员航线的考试评估，对提高内河船员引航技能，保障水上交通安全具有一定的作用。虽然，在视景真实立体感上有所欠缺，在评估船员的实际操作性方面存在不足，但这并不妨碍到考试评估的有效性、实用性。较之大型的模拟器及实船考试方式更加安全、公正、便民、低成本、易于推广等巨大优势。
(第一作者单位：江苏省地方海事局)
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