来源：第三维度
    作者：李 会 张劲松
    单位：齐齐哈尔大学

    摘要：论述了一种应用于工业控制的交互式虚拟现实技术，它使研究人员直接获得系统的动态和静态特性，实现实时跟踪和监控工业控制过程的可视化仿真。

    1 前言

    虚拟现实技术是集计算机技术、多媒体技术、传感器技术、图像处理技术为一体的高度并行的实时计算技术。正如IEEE 年会所预见的：VR 技术在工业工程领域有很大的发展潜力。虚拟现实技术在教育、医学、建筑、娱乐、电子商务、航空航天等与现实人类的生活密切相关的各个方面都有了较好的应用。该项技术的产生使人与机器的协作上升到一个新的高度。基于上述事实，本文将虚拟现实技术引入到工业控制领域。

    2 工业控制引入虚拟现实的必要性

    虚拟现实技术的发展是知识经济“信息化、全球化、以人为本”这三大特征的具体体现。现代大型工业控制的信息管理要求对企业的管理既要有优化性又要有全面性。同时为了适应国际化、网络化，也要求与Internet和企业管理的其它软件相结合。因此，能够适应网络交互的分布式虚拟现实系统的开发以及应用势在必行。首先，在第二代三维Web和Infranet-Intranet-Internet一体化思想的基础上，将采集数据，控制参数、分析数据及结果、商务资源等信息的网络化、形象化、可视化，要求通过三维显示和网络传输，而实现资源共享；其次，4C（Computer Communication Control CRT）技术、人工智能技术的结合并借助网络这一快速的传输工具和虚拟显示这一自然的人机结合方式，使得“网上控制”和“控制入网”的工业控制理念在工业过程控制领域发挥更大的作用。这样监控中心的操作人员或远程用户可以利用网络和虚拟现实环境工作平台身临其境般的监视生产过程。从而，方便、直观、真实的分析数据和管理决策；再次，利用虚拟现实技术的特点：沉浸性、交互性、多感知性。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用,就如同在现实世界中的一样。而且还可以听到三维仿真声音。

    不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。还可以通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作，从而达到身临其境的感受。真正的实现人机和谐、人机一体。

    3 虚拟现实的特点

    (1) 多感知性

    是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。

    (2) 浸没感

    指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。

    (3) 交互性

    指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

    4 系统总体设计

    系统的总体设计框图如图（1）。工业控制计算机主机的主要作用是接收控制输入单元的输入数据，然后将数据传送给相应的处理单元或模块。同时将处理后的结果传送给控制输出单元，再由控制输出单元传送给执行元器件。控制输入单元接收传感器（有时也直接接收执行元器件的数据）的数据。数据存储模块和数据分析模块用来储存和分析相关数据，以给主机用来调度。三维交互模块可以实现用户与计算机的交互和数据的三维显示，达到工业控制数据的可视化。

 
图 1 系统总体设计框图

    5 虚拟现实技术在控制领域中的应用

    (1) 控制系统设备性能模拟

    系统在投入使用之前一般很难真实的反映其本身的性能，而虚拟现实技术可以预先为其提供一种虚拟的模型，让设备的调试人员和工程人员在真实感受到设备的真实性能。

    (2) 提供决策方案

    一旦系统出现故障时候，一方面需要准确掌握现场的各种情况，另一方面还要了解事故的发展趋势，甚至有时候还要做出果断的决策，如果指挥人员不能马上到达现场，那么可以利用虚拟现实技术进行决策，使损失减小到最小。

    (3) 事故调查分析

    在进行系统的安全和分析事故的时候，如果能使事故本身再现将是一件非常有重要意义的事情。通过事故的再现，使人们能够发现事故的原因，了解症结所在。虚拟现实技术能够实现这一过程。

    (4) 日常维护以及管理

    虚拟现实技术配合智能化的设备对工业设备进行联合控制，加之主机中的专家系统可以对整个系统进行日常的维护和管理。

    (5) 培训企业新人员

    对于新的企业员工，可以利用该系统进行模拟培训，是虚拟现实技术的基本功能之一。

    6 系统软件支撑和硬件选择

    系统的软件支撑环境的选择是建立真实感模型及控制的关键，选择时不但要考虑程序的使用范围和硬件设备。当然还要考虑经济条件。对于本系统我们进行了如下的选择：

    (1) 配有立体图形加速卡的HP Kayak XW PC Workstation；

    (2) 鼠标、键盘、数据手套，头盔型显示器（可选）；

    (3) 操作系统 Windows NT ；

    (4) 虚拟现实软件VRML；

    (5) 三维建模软件3DMAX；

    (6) 程序开发软件Java。

    7 系统实现

    7.1 建立虚拟场景

    VRML（虚拟现实建模语言）是一款优秀的软件，利用该软件可以建立各种模型，包括静态模型和动态模型。对于比较复杂静态模型，一般采用3DMAX软件来建立，然后转换成VRML格式，再加入到三维场景中。视景的显示是由计算机提供（也可以佩戴头盔型显示器）。视景数据库由两部分组成，一部分是以直接或间接方法存储的图像数据，另一部分是以向量或参数方式存储的图形数据。

    7.2 人机交互

    交互是虚拟现实系统特征中的重点，而实时性更是系统仿真的基本特性。一方面要充分考虑硬件的性能，另一方面在软件开发时还要做好视景数据库的组织和管理，两者要达到一个最优化的平衡。视景数据库的组织和调度实际上就是视景细节层次的组织以及各层次数据的动态调用，这就是所谓的层次细节简化技术（LOD，Level of Details）。即远离视线的用细节少的模型，靠近视线的用细节多的模型，来达到实时模拟。建立整个场景模型后，就要进行交互的实现。采用鼠标和键盘来控制场景移动和场景中物体的运动状况以及相关的控制系统所需要的数据的输入；用数据手套来实现对控制系统中控制元器件的控制，比如操纵机械手臂，控制杆等。反馈的数据由相应的控制元器件来处理并传送至计算机，再由计算机屏幕显示出来。

    7.3 软件实现

    VRML和3DMAX是构建场景的软件，Java语言用来编写各种接口所需要的类以及程序的总体框架。

    8 结论

    本论文的创新点在于将虚拟现实技术引入到工业控制领域，开发了控制系统的虚拟模型，结合VRML（包括3DMAX）和Java语言的编程实现了可视化控制系统交互式仿真以及控制。它可以用来测试评估一些控制系统的可行性，有效性及其改进方向。系统运行结果表明，该系统可为工业智能控制的调试和运行研究提供一种有效的方法。

    作为一种虚拟现实控制系统，该系统可使用户能够身临其境的与计算机生成的三维虚拟环境进行直接和自然的交互，从而进行合理的控制。把控制系统中的数字信息变为直观的、以图形图像形式表示的、随时间和空间变化的虚拟仿真过程，使使用者能更好地了解系统中各个元器件之间的关系，可更好的决策，直接获得系统的动态和静态特性。具有一定的使用价值。

    参考文献

    [1] 王滔，费敏锐.虚拟现实技术及其在工业控制中的应用.微计算机信息.2000，16（4）：3—7

    [2] 李会．远程教育环境下虚拟实验室的构建．硕士论文．哈尔滨：东北林业大学．2004

    [3] 赛博科技工作室 编著．VRML 与Java 编程技术．北京：人民邮电出版社，2002

    [4] 宗士增，徐建成．虚拟制造中的复杂系统虚拟现实仿真．电气技术与自动化．2002，10

    [5] 吴家铸等. 视景仿真技术及应用. 西安：西安电子科技大学出版社，2001.