• 虛擬現實技術在航天仿真研究中的應用
  •          2008年03月18日              來自: 互聯網
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    虛擬現實 ( Virtual Reality,簡稱VR) 是一種可以創建和體驗虛擬世界 (Virtual World) 的計算機系統。其中虛擬世界為全體虛擬環境(Virtual Environment)或給定仿真對象的全體,它是由計算機產生,通過視、聽、 觸覺等作用,使用戶產生身臨其境感覺的交互式視景仿真。因此,一個身臨其境的虛擬現實系統是由包括計算機圖形學、圖像處理與模式識別、多傳感器、語音處理與音像以及網絡等技術所構成的大型綜合集成環境。由于它是一門綜合性極強的信息技術,目前已在軍事、醫學、設計和娛樂等領域得到了廣泛應用。例如,波音公司曾利用VR技術進行虛擬座艙的布局,實現了完美的實際座艙布局設計。

    眾所周知,航天飛行是一項耗資巨大、變量參數很多、非常復雜的系統工程,保證其安全、可靠是航天器設計時必須考慮的重要問題。因此,可利用仿真技術經濟、安全及可重復性等特點,進行飛行任務或操作的模擬,以代替某些費時、費力、費錢的真實試驗或者真實試驗無法開展的場合,從而獲得提高航天員工作效率或航天器系統可靠性等的設計對策。這樣,航天仿真研究就成為確保航天器安全、可靠的有效技術途徑。然而,大多數現有的仿真系統采用傳統的仿真理論,即針對所研究的對象設計模型,然后根據實驗方案在模型上進行各種實驗,分析實驗結果。其中設計的系統模型通常是由相互聯系的數據結構集合和過程集合構成,具有一體化的信息和控制,因此很難對數據庫進行修改。此外,實驗結果的分析與處理也十分繁冗,同時,也不能直接對其作出解釋。因而,隨著仿真技術向可視化方向的發展,將VR技術與仿真理論相結合,據此進行航天仿真的研究,不失為一個行之有效的方法,本文對其展開討論,以期有所裨益。

    一、意義

    虛擬現實技術的核心是通過計算機產生一種如同身臨其境的具有動態、聲像功能的三維空間環境,而且使操作者能夠進入該環境,直接觀測和參與該環境中事物的變化與相互作用。因此,將虛擬現實技術應用于航天仿真研究,不但可以使得該領域內的計算機仿真方法得到完善與發展,而且也將大大提高設計與試驗的逼真性、實效性和經濟性,具體表現在如下幾個方面:

    1.
    -機界面具有三維立體感,人融于系統,人機渾然一體。 以座艙儀表布局為例,原則上應把最重要且經常查看的儀表放在儀表板中心區域,次重要的儀表放在中心區域以外的地方。這樣能減少航天員的眼動次數,降低負荷,同時也讓其注意力落在重要儀表上。但究竟哪塊儀表放在哪個精確的位置,以及相對距離是否合適,只有通過實驗確定。因此利用VR 作為工具設計出相應具有立體感、 逼真性高的排列組合方案,再逐個進行試驗,使被試處于其中,仿佛置身于真實的載人航天器座艙儀表板面前,就能達到理想客觀的實驗效果。

    2.
    繼承了現有計算機仿真技術的優點,具有高度的靈活性。 因為它僅需通過修改軟件中視景圖像有關參數的設置,就可模擬現實世界中物理參數的改變,這樣,隨著任務的變化,已有的軟件再經修改即可滿足新任務的要求,所以十分靈活、方便。

    3.
    突破環境限制。現有航天仿真的計算機系統體現不了空間失重環境, 而建立虛擬現實系統,通過虛擬的景象和聲響就可以使被試處于太空飛行中實際的載人航天器座艙中,據此展開的相應試驗研究具有實際意義。

    4.
    節省研究經費。改用真實的航天器進行相應的試驗研究是不可能實現的, 因為耗資巨大,經費條件不允許。而采用虛擬現實技術,由于其研制周期較短,設計修改和改型僅通過軟件修改實現,可重復使用,設備損耗低,這樣可大大節省經費投入。


    美國航宇局各中心當前主要VR研究項目


    長時間、遠距離和多乘員的載人空間飛行將是21世紀航天技術發展的必然趨勢,為了保證有良好的人(航天員)-機(載人航天器顯示、控制系統)界面以提高航天員-載人航天器-空間環境這個大系統的可靠性和安全性,開展基于虛擬現實技術的航天仿真技術的研究,不但可以填補我國在此領域內的研究空白,而且也將為我國中、長期空間飛行的載人航天器(如空間站和空間實驗室)型號任務的實施創造有利條件。

    二、研究現狀

    1965
    年,美國麻省理工學院的科學家設計了一種頭盔顯示器,通過傳感器和計算機仿真環境的相互作用,可以感覺到自己在幾何圖形中的移動,產生身臨其境的感受,由此誕生了一種新的仿真手段虛擬現實技術。但由于其研制的頭盔顯示器性能較差,價格昂貴,很長時間內該項技術得不到應用。隨著計算機圖形學的發展,80年代中期,美國艾姆斯航天研究中心利用流行的液晶顯示電視和其它設備開始研究低成本的虛擬現實系統,這對于虛擬現實技術的軟、硬件研制發展推動很大。到了90年代,該項技術受到廣泛關注并向實用邁進。例如美國馬歇爾空間飛行中心研制載人航天器的VR座艙,指導座艙布局設計并訓練航天員熟悉航天器的艙內布局、界面和位置關系,演練飛行程序。目前,美國各大航天中心已廣泛地應用VR技術開展相應領域內的研究工作(如表所示)。在VR技術傳入我國后,除幾所院校建立一些初步的VR系統模型外,尚無在航天仿真領域展開此項技術的應用研究。

    一般而言,虛擬現實系統具有兩大特點:可以從數據空間向外觀察和被試可以沉浸到數據空間中。它是通過對研究對象的模型進行計算機仿真,由計算機結果去控制虛擬世界,并顯示給被試,最終實現它們之間的交互作用。這樣,將被試投入到虛擬環境中來真實地注視數據以進行交換,與現有的航天仿真方法相比有質的提高。
    基于上述過程,一個完整的虛擬現實航天仿真系統由下面三部分構成。

    1.
    虛擬環境產生器一個能產生三維世界的軟、硬件環境是VR 系統的核心部件。它的主要功能是接收被試相關的運動信息(如頭部、眼、手等),分路/ 分時生成左、右眼視圖,并融合成三維立體圖像,同時進行三維聲音合成和發出觸覺、壓力等反饋信號。

    2.
    輸入輸出設備其目的是使被試能通過視覺、 聽覺和觸覺等方式與虛擬環境實現信息的交互作用。主要包括頭盔顯示器、操縱桿和數據手套等,它們是被試與虛擬環境建立聯系的關鍵。

    3.
    數據接口其作用是將虛擬環境產生器、 輸入輸出設備以及被試等有機連接成一體,這不僅包括硬件協配問題,也包括軟、硬件聯調以及人機界面等技術內容。

    三、應用趨勢

    縱觀國外主要航天大國的研究,歸納起來,虛擬現實技術在航天仿真研究中應用的發展趨勢是:

    1.
    航天員訓練器利用虛擬訓練系統對航天員進行失重心理訓練, 使其建立失重環境下空間方位感。其次,通過構造航天器虛擬座艙模型,訓練航天員熟悉艙內布局、界面和位置關系,演練飛行程序和操作技能等。還有,在航天器某些關鍵設備在軌運行期間發生故障時,為使航天員能正確進行在軌修理,可以通過虛擬現實技術,在地面或空間站對其進行修理培訓。例如,1993年,美國約翰遜航天中心啟用了一套虛擬現實系統來訓練航天員熟悉太空環境,為修復哈勃望遠鏡作準備。航天員通過操作虛擬設備,大大提高了操作水平。

    2.
    航天工效學作為一種新型的人機界面,利用VR 系統可以更好地研究人與航天器之間的接口關系與功能分配,使艙內結構和布局更適合人的特性。此外,還可進行操作飛行程序和人機功能分配等合理性評價。

    3.
    交會對接人工控制虛擬仿真技術航天器的空間交會對接是發展載人航天事業的一項關鍵技術。其控制方式分為自動和人工控制兩種,根據國外經驗,人工控制在交會對接的最終逼近與對接過程中發揮非常重要的作用。目前現有的人工控制交會對接仿真系統是由計算機系統(包括數學模型)、運動模擬器、座艙(包括控制操作臺)、視景系統、操作負載系統等五部分組成,其設備復雜、投資巨大。若采用虛擬現實技術,整個系統由計算機仿真、頭盔顯示器和數據手套三部分組成。即將交會對接動力學模型存入計算機系統,通過計算機仿真,實時地解出這兩個航天器間的相對距離和姿態角參量,通過計算機生成圖像,在頭盔顯示器里實時地顯示兩個航天器虛擬環境,此時航天員就像真正處在飛行空間進行交會對接操作一樣。因而,這樣建立的系統設備簡單、投資少。另外,若需考慮空間環境因素(如失重、加速度等),可以把虛擬交會對接仿真器安置在離心機上或模擬失重的水池里,直接在航天員身上產生失重或加速度效應。這種具有空間環境效應的虛擬仿真器是現有仿真系統所沒有的。因為采用通常技術的仿真器設備多、重量和體積大,一般是不可能實現空間環境效應的。

    4.
    航天環境控制與生命保障工程設計在航天服和環境生保系統的設計與研制中,可利用VR技術進行原理設計、邏輯驗證及模型的仿真。設計者通過與設計的虛擬交互,不僅可及時觀察到所設計部件的整體結構與外形,而且還能夠及時改進設計中的原理或功能性缺陷,從而提高設計與研制效率。

    5.
    智能化的虛擬系統利用人工智能技術使計算機通過編程模仿人的思維過程,將與研究對象相關的專家知識納入知識庫,并根據這些知識進行推理,因而能解釋用戶的請求,確定必要的輸入數據,修正或選擇一個合適的模型進行實驗,這樣具有更強的仿真能力。

    6.
    交互方式的進一步發展創建虛擬現實工具包和模擬管理器, 讓被試可以打開艙門、用手操縱開關等。而且還帶有聲音識別合成功能,能發出相應動作的聲音,這樣能使被試更加沉浸于虛擬世界中,提高仿真試驗效果。

    四、關鍵技術

    根據上述應用前景,我們認為,建立一個完善實用的航天仿真虛擬現實系統,需要在以下四個方面取得突破:

    1.
    系統硬件如前所述,VR 技術的一個重要特點是通過仿真為被試提供一個虛構的但能反映對象變化的環境,這需要大量的數據處理。一般來說,人腦檢測延遲的閾值約10ms,所以VR系統要求的延遲應低于10ms。因為延遲越長,系統越不逼真,延遲過長甚至產生負效應(如運動病)。另外,使用多邊形越多,視景效果越真實,但是增加多邊形,會使其延遲時間拉長。這樣,視景生成對計算機硬件的速度要求更高。從目前技術看,要實現低于10ms的延時,處理器速度需達到90MIps(每秒百萬條指令)。達到這一性能甚至更高一些是可能的,但成本昂貴。此外,為了得到高質量的圖像,頭盔顯示器必須有50100萬個像素,因此,應著力研究分辨率高、體積小的顯示器,以滿足系統需要。

    2.
    環境生成工具構造虛擬現實環境要通過環境生成工具來實現。 計算機圖像處理中智能性圖形特征分析與推理及圖形模塊相互作用和處理,是虛擬現實技術的一個首要環節。目前這種環境生成工具專用性很強,尚不具有通用性。

    3.
    三維圖像處理技術虛擬系統的視景環境由計算機通過三維圖像處理用立體圖像方式表現出來,同時根據研究要求和約束條件,完成實驗所用的三維顯示界面。它是根據數學和視覺原理用小多邊形構造出來的。據估計,建立載人航天器和它的對接機構形狀、再入狀態與著陸場等逼真的虛擬環境,需要的圖像生成速度為8000萬個多邊形/秒。這就要有專門的數學模型和仿真軟件, 而這正是三維圖像處理的主要內容。

    4.
    系統性能評價建立的航天仿真VR系統是否實用, 其中一個重要的評價指標是逼真度(即與所研究對象的吻合程度)。現有的評價方法包括兩個方面:一是對系統進行測試,將結果與所研究對象的實際參數或數據進行比較;二是對仿真模型進行主觀定性評價。對于VR系統,目前尚無有效手段客觀評價其逼真度,多是依據主觀定性評價。因此,發展客觀檢測方法進行評價也是亟待解決的重要問題。

    五、幾點看法

    1.
    虛擬現實技術與現有仿真的區別在于, 被試不再是坐在現實世界中通過人機界面去觀察分析研究對象的參數,而是沉浸到由計算機創造的一種虛擬世界之中,在這里面如同真實世界一樣與周圍的虛擬環境事物進行交互作用。因此,針對航天仿真技術的特點,建立虛擬系統,不但設備相對簡單、投資少,而且可以真實地模擬空間效應,進而可作訓練器,所以它是今后研究中值得推廣和應用的技術。

    2.
    從整體水平看,國內在VR研究方面剛剛起步,與國外相比,存在很大差距。為此,我們應充分跟蹤美國航宇局和歐空局在載人航天仿真研究中的VR動態,在可行的基礎上建立一套虛擬現實仿真系統。另外,在設計視景軟件時,應與國際仿真軟件的發展趨勢接軌。

    3.
    VR系統畢竟是一種虛擬化的事物,不同于真實世界。因此,如何平衡被試的心理負荷,避免操作失誤以及焦慮、緊張等狀態,讓其將VR 技術真正作為一項實用的研究工具,提高工作效率,擺脫不必要的心理負擔,這也是航天仿真虛擬現實技術應用中必不可少的一門課題。

    4.
    建立航天仿真用虛擬現實系統, 主要的硬件如圖像生成計算機和頭盔顯示器等,由于技術發展速度很快,估計用不了幾年時間它們的性能就難以滿足研究要求了。為此我們應重點研究人-虛擬世界之間高速交互作用等問題。


     


     

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