灵境仿真与应用

2003全国仿真技术学术会议论文集灵境仿真与应用张珩欧珊瑚中国科学院力学研究所北京100080)擿要灵境技术是继多媒体技术之后的新一代人机接口技术及高级仿真技术它突破了传统的基于二维的人机界面模式和交互方式旳局限性极大地增强了人的主动性和仿真方法的灵活性是目前计算机科学和信息科学中最热门的研究领域该文介绍了灵境技术产生的背景论述了灵境技术的特征和基本构成并综述了灵境技术在航天、军事、遥科学、机器人等领域的应用最后对目前研究中存在的问題及可能的对策和研究方向进行了讨论关键词灵境虚拟现实疠真沉浸中图分类号:TP391文献标识码:A1引言2.1灵境系统的基本特征伴随着第一台电子管电子计算机的诞生和以相似理论在传统的仿真和建模环境中虽然主观上一直在强调要为基础的模拟技术的应用真作为一种研究、发展新产品、发挥人的主动作用但由于在客观上计算机只能在处理数字新技术的科学手段在航空、航天、造船、兵器等与国防科研化信息时才发挥出强大的威力人不得不去凑合”当时的计相关的行业中首先发展起来并显示出巨大的社会效益和经算机所能提供的技术条件人和机器的关系是不甚和谐的济效益。就仿真的本质而言它是对真实物理系统在某一层而灵境系统的最大优势在于能够充分发挥在由计算机和人次上的抽象与实际的物理系统相比用户在这一抽象模型构成的系统中人的主观能动性即把人的感知能力、认知能上可以更高效、更节省、更灵活、更安全地对物理系统进行了力和心理状态在计算机系统中得到体现。由此可见灵境概解和设计念的出现使得以往以数字描述或符号等抽象表达的对象开最近数十年来随着计算机、自动化和系统工程等技术始以完全形象化的模式体现同时由于计算机的飞速发展的飞速发展仿真和建模的水平也得到了相应的提高,人与又使得这种形象化的表达在动态上几乎可以与人的形象认计算机之间的隔阂大大减小但这些技术尚未从根本上解决知相同步。现有计算机在应用上的局限性和不合理性尤其是在逼真性通常灵境系统的特征和虚拟性等方面还不能满足用户的需求。参试者不仅要求可以用一个灵境技术三角MMERSION能通过打印输出或显示屏幕上的窗口从系统外部去观察信形”来加以描述,即:3个息处理和仿真的结果而且要求能通过参试者的视觉、听觉、“,它们是 Immersion-in-触觉、嗅觉以及形体、手势或口令,参与到仿真系统中去从 teraction- Imagnation(沉浸而取得身临其境的体验。这种信息处理和仿真系统已不再交互-构想)如图1所四要(k是建立在一个单维的数字化的信息空间上了而是建立在一示个多维化的信息空间之中建立在一个定性和定量相结合1)沉浸 Immersion)这图1三1图感性认识和理性认识相结合的综合集成环境中而灵墳VR:是wR系统的核心指使用Virtual Reality又译为虚拟现实肢术正是支撑这个建立在多户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力。ⅤR的沉浸感维信息空间 CyberSpace)上的仿真系统的关键技术。它的兴特征与一般的交互式三维计算机图形有较大的不同用户可起为人机交互和仿真系统的发展开辟了新的研究领域为以沉漫于数据空间也可以从数据空间向外观察从而可以智能工程的应用提供了新的界面工具,为复杂系统训练仿使用户能以更自然、更直接的方式与数据交互。真特别是人参与的系统仿真、生物和医学系统仿真以及思2)交互( Interaction)指用户与虚拟场景中各对象相互作维、逻辑推理系统的仿真开辟了新天地也为各类工程的数用的自据可视化提供了新的描述方法是仿真技术发展的里程碑。中国煤性因素。交互性包含对象的可馈的自然程度以及虚拟场景CNMH程度等。2灵境的结构特征及其对仿真技术发展的促进3)构想( Imagination)虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识提高感收稿日期2003-04-07性和理性认识从而产生新的构思。将这种构思结果输入到454系统中去系统将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈3灵境技术的应用给用户。如此反复这是一个学习-创造-再学习-再创造灵境技术是在传统的计算机仿真技术基础上综合应用的过程因而可以说MR是启发人的创造性思维的活动了多种现代科学技术的一种系统技术是计算机仿真技术的灵境系统的三个基本特征强调了在灵境中人的主导作深化和发展。虚拟现实的概念一经提出就受到了各国政府用认过去人只能从计算机系统的外部去观测计算处理的结和学术界的广泛重视。进入二十世纪九十年代以后,以沉浸果到人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中过去人感和形象化为代表的快速交互式灵境技术又进一步摆脱了只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字化信息发生交传统意义上的仿真概念在许多领域取得了令人瞩目的成互作用到人能用多种传感器与多维化信息的环境发生交互果作用认从过去的人只能从以定量计算为主的结果中得到启发1)航天领域从而加深对事物的认识到人有可能从定性和定量综合集成航天技术是一项耗资巨大且非常复杂的系统工程灵境的环境中得到感性和理性的认识从而深化概念和萌发新技术与航天技术相结合具有其独特的优势。目前灵境技术在航天领域中的应用及趋势主要表现在以下方面2.2典型灵境系统的体系结构对仿真技术发展的促进●航天员训练器利用航天虚拟训练系统对航天员进灵境系统的三个基本特征决定了灵境相对于传统仿真行太空环境下的失重心理训练使其建立失重环境下的空间技术的三大飞跃方位感。其次当航天器某些关键设备在运行期间发生故障1)从离线到在线时可以通过灵境技术在地面或空间站对航天员进行修理培由于灵境是采用计算机技术生成的一个逼真的、具有训使其掌握航天器的操作技能及在轨维修。199年美国视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境置身于其中的人可约翰逊航天中心启用了一套虚拟现实系统来训练航天员以以通过各种传感交互设备与这一虚构的现实进行相互作用′熟悉太空环境使得修复哈勃望远镜的任务一次成功。达到彼此交替更迭、融为一体的程度因此由灵境技术所支●航天工效学随着载人航天技术的发展在空间撑的多维信息空间为仿真和建模提供了一个崭新的、能使人沉漫其中超越其上进出自如交互作用的环境与以往的停留的时间已明显增加利用灵境系统可以更好地研究人与传统仿真环境相比在这种多维信息空间中所进行的仿真和航天器之间的接口关系与功能分配提高航天员的长时间工建模具有更高的逼真度是一种在线"式的仿真环境,突作效率及心理适应能力改善舱内的结构和布局使之更适破了以往参试者只能作为一个旁观者由外部向数据空间内内合人的特性。部观察的离线"式仿真环境的局限性可望成为人类认识世●卫星伤真卫星是一种高技术、高投入、高效益和高界和改造世界更强有力的武器。风险的产品利用灵境技术可以对卫星的设计、制造、发射、2)从串行到并行定轨以及卫星的在轨运行等环节进行可视化仿真提高卫星由于人在认识世界的过程中有相当一部分是按照极度并的成功率。如 Koboyoshi等人为日本空间规划部开发的能在行的机理进行的如人脑在识别图像时的感知过程就是如此。用户定义的大多数模型框架下完成实时观察的可视交互式但遗憾的是计算机所能接受的串行的刻板的明确的和严格图形显示环境印度MRO卫星中心控制系统研究所开发的遵守形式逻辑的机器指令这无疑在用户和计算机之间形成十分简洁的卫星姿态显示模型及仿真软件等。鸿沟。灵境技术的出现将改变人去凑合”那些不很亲切的●交会对接人工控制灵境技术空间交会对接技术是计算机系统的局面使计算机能较自然地反映人们对真实世目前空间技术上一项最复杂规模最大和变量参数最多的控界的认识过程减小人与计算机之间的隔阂实现仿真过程从制操作技术也是发展载人航天事业的一项关键技术。为了串行到并行的质的飞跃建立和谐的人机交互仿真环境得到一个高可靠性、经济性、并且有容错和高性能的操作功3)从验证到应用能的交会对接系统需要对系统进行一系列试验和验证唯计算机仿真是在系统结构得到足够的定义并存在描述有效的途径就是仿真实验。根据国外的经验人工控制在系统预期表现的计算方法的情况下由计算机进行推演、验交会对接的最终逼近与对接过程中发挥着非常重要的作用。证的过程。事实证明人类对于基于图像、声音等感官信息目前现有的人工交会对接仿真系统由计算机系统、运动模拟的理解能力远远大于数字和文字等抽象信息的理解能力将器、座舱、视景系统和操作负载系统等五部分组成其设备复灵境技术引入到系统仿真的各个阶段将使得模型的建立和杂、投资巨大如果采用灵境技术整个系统将由计算机系验证更加方便同时由于参试者与虚拟环境的交互作用极统、头中国煤化工组成将交会对接动力大地增强了人对虚拟对象操作的沉浸感得到并投入到实际学模机仿真实时地解出两个CNMH物理系统中参与联试相同的感受有助于参试者更快、更全航天阳=量通过计算机生成图像面地分析理解数据使得仿真的实质从传统的推演和验证层在头盔显示器中实时地显示两个航天器虛拟环境,此时航天次逐步上升到应用层次员就象真正处在飞行空间进行交会对接操作一样。由此可见由灵境系统所组成的交会对接手动操作仿真器,设备简455单、投资少、逼真度高、功能全、实施和使用都非常方便而且拟外科手术、遥控外科手术、康复医疗等。利用灵境技术让可以真实模拟空间环境效应。实习医生在计算机生成的虚拟手术台环境中对计算机生成2)军事领域的人体器官进行手术逼真地观察器官内部的构造和病灶军事领堿是灵境技术的重要应用领域之一使用灵境技练习协同手术具有极高的价值且可以反复进行以研究手术冋以建立一个时空一致的分布式虛拟战场环境将位于术方案。另外可以将裝备有基于灵境技术的远程控制操作异地的许多仿真实体〔如指挥中心、飞机、坦克、导弹等)互设备的遥控手术中心与边远地区建立起远程医疗虚拟现实连并在该虛拟环境中相互交互协同作战共同完成对武系统医生只需对虚拟病人的模型进行手术,并通过高速宽器效能的评估和作战方案的演练。最典型的应用就是美国带网络将医生的动作传送到网络的另一端的手术机器人由80年代后期开发的 SIMNET系统和最近开发的 Wargame2000机器人对病人进行手术手术实际进展的图像也可通过机器系统。人摄像机实时传给医生的头盔立体显示器并将其与虚拟病3)遥科学领域人叠加以便医生实时掌握手术情况并发出手术指令。在遥科学实验中空间距离的跨度、大容量信息的压缩7)教育与培训领域复现、编码/解码、系统的响应以及传输介质的带宽等因素导灵境技术的出现,为教学和培训提供了良好的训练平致的时延是不可避免的而灵境仿真技术是目前唯一有效消台利用灵境技术将实际过程与理论分析合二为一的课程教除时延对遥操作影响的方法其效果已在多次实验中得到证育是一种全新的教学形式尤其是伴随着国际互联网的完实如日本的EIS_Ⅶ卫星空间机器人试验德国的ROEX善和推广基于灵境技术的远程异地培训已成为可能。国内试验美国的NAsA在地面进行一些遥操作试验都采用了这外一些高校已成功开发了基于集成声音、图像及其它多媒体一方法技术的三维空间的远程教育中心虚拟出真实的校园环境4)机器人领域用户进入教育中心就如同进入真正的学校一样可以进行提灵境技术作为可视化工具在机器人领域已有相当广泛问、考试进行实时教学和交流。的应用如美国ARPA计划中的火星遥操作机器人、NASA和威斯康星 Wisconsin)学共同研制的水下机器人仿真系统、4灵境技术的发展方向日本东北大学研制的具有时延共享的移动机器人遥操作界从20世纪80年代末正式提出灵境的概念到现在灵境面等。灵境技术在机器人领域中的应用主要集中在遥操作技术得到了很大的发展取得了令人瞩目的成果并成功地机器人系统、移动智能机器人的路径规划仿真平台、三维场应用于航空航天、军事、医疗、娱乐等多个领域但目前仍有景的表达和自动建模、现代制造技术中机器人作业单元的虚许多关键技术尚未完全解决主要表现在以下几个方面拟仿真和编程平台等方面●系统硬件ⅥR技术的一个重要特点是通过仿真为5)机械制造领域用户提供一个虚构的但能反映研究对象变化的环境这需要机械制造技术和灵境技术的结合形成了虚拟制造技术。处理大量的数据。目前要实现这一指标是可能的但需要它是在传统制造技术的基础上将实体的全部可能状态进行昂贵的外部设备如高分辨率的头盔显示器HMD、立体投影集成用户能实时观察其运转状况。虚拟制造是信息时代制显示器、空间定位器以及高精度的数据手套等。其次,为完造技术的新概念是应用计算机仿真和灵境技术对实际制造成复杂场景的实时渲染还需要高性能的图形工作站以及相过程在计算机系统上本质上的”"实现是对制造过程的高逼应的软件这些灵境设备对于普通的信息系统用户来说是真度的仿真。利用虚拟制造技术可以研究试验新的加工制难以承受的。造方法和检验所设计的虚拟产品的可制造性”发现影响制●虚拟视景生成技术构造虚拟视景要通过环境生成造过程旳关键因素和薄弱环节用以指导和改进生产管理,工具来实现。视景中的图像是计算机根据环境需要利用给实现柔性制造和灵捷制造將真实制造过程在计算杋里进行定条件与模型在对图像数据和图形数据计算后生成的。因综合优化处理大大提高产品在开发周期、质量、成本、服务此汁算机图像处理中图形的特征分析与推理以及图形模块和环保等方面的竞争能力。以波音777客机为例波音公司的相互作用和处理是交互式虚拟视景的首要环节。目前开发的灵境系统使用了200台工作站8台IBM主机和IBM已有的环境生成工具专用性很强尚不具有通用性的 CATIA CAD/CAN软件,该系统可以将虚拟环境叠加于真●三维图像处理与显示技术虚拟视景环境是由计算实环境之上如把虚拟的模板显示在正在加工的工件上工机通中国煤化工式表现出来的同时根据人根据此模板控制待加工尺寸简化加工过程制造周期减研究少了50%)提高加工精度设计精度提高了10倍厢产品质据数CNMH,月的三维显示界面它是根小业形”出来的。这就要求专用量降低生产成本公司花费减少了94%)的数学模型和仿真软件而这正是三维图像处理的主要内容。6)医学领域●仿真系统的三维建模方法基于图形的虚拟环境首灵境技术在医学领域的应用引人瞩目如虚拟人体、虚先要解决的问题便是三维造型当图形渲染技术在向真实感456大踏步前进的时候生成精确三维模型的过程还是象二十五参考文献年前一样困难尽管三维激光扫描技术的进步简化了模型的[1]汪成为高文王行仁.灵墩虛拟现实技术的理论实现及应构造过程但这些自动化模型的获取方法也验证了真实世界用M].北京清华大学出版社南宁疒西科学技术出版社的几何复杂性大部分的模型仍需要由人工绘制繁琐的维建模是制约灵境技术发展的严重障碍。[2]胡社教陈宗海.虚拟现实与卫星仿真技朮[J].计箅机仿真●大容量数据信息灵境技术要想得到发展需要与2001A8(2):15-17[3]周前祥.虚拟现实技术在航天工效学中的应用进展[J].计算Intemet相结合这已是不争的事实。目前灵境技术应用的机仿真2001182)8-10数据信息量仍然很大在现有网络整体速度较慢的情况下,[4]谢甘第.虚拟现实技术及其在制造业中的应用J]机电一体Intemet用户必须等待较长的时间这往往令人难以忍受。因化20015:18-20此应该在灵境系统中考虑数据压缩的问题这个问题可能[5]陈宗海.系统仿真技术及其应用C2000年学术论文集第二现在尚未引起人们的注意但随着应用的深入这将是一个卷.合肥中国科学技术大学出版社.2000不可避免的问题[6]王恒霖,曹建国,系统仿真的发展沿革与展J]系统仿真学报,997队1):1-3●交互技术的实现虚拟场景的一大特点是其交互性主要是指操作者与虚拟环境在交互时所涉及到的相关技[7]汪成为.灵境虛拟现实是建立人机和谐仿真系统的关键技朮J]系统仿真学报,1995X4):1-4术因此交互技术系统是研究的一大重点[8]吴新垣.灵境技术及其在系统仿真中的应用J]系统仿真学●信息融合技术ⅤR系统与现有的一般计算机系统报1996X(4):1-7的主要差别在于:人与计算机系统的交互已不再是利用鼠[9]田新成王宁生袁信.一种多微机遥现虚拟现实(ⅤR)系统体标、键盘等简单接口工具而是利用多种传感器与虚拟环境系结构J].计算机应用研究2000进行交互。如何把多种传感器获取的信息进行分析和集成,[10]张云勇自中建敵万钧虚拟现实系统的建立J计算机应消除信息的不确定性完善地和精确地反映被检测对象的特用200020(8)229-231[I1]林来兴.虛拟技术在空间交会仿真中的应J]系统仿真学征是信息融合迫切需要解决的问题。报,1996X(4):14-18[12]谢晶妮涨茂军.虚拟现实发展趋势展望J]计算机工程5结束语2002287)1-2现代仿真技术正朝着建立人—模型_实验融合为一体[3]胡厌夕苏建眀张续红.聚焦虛拟现实技术J].机电一体的自然和谐的仿真环境发展创造以人为中心的仿真系统使模型研究者能沉浸到模型创建的虚拟现实环境中并利用[14]周前祥,虚拟现实技木在航天工效学中的应用进题J计算人的智能进行信息融合。而以沉浸感和形象化为代表的快机仿真200183)8速交互式灵境技术作为一种崭新的人机交互环境涉及了人[15]陈谊赵敏哲梁炳成.分布式虚拟现实及其在仿真中的应用[J].计算机仿真200291)9-13工智能、计算机图形学、人机工程学、认知科学、人类行为学、多媒体技术、传感技术、机电工程和网络技术等多个学科和[作者简介]领域体现了这些学科本身及相关交叉学科的发展和应用水张珩1961.5-),男(汉族)吉林省长春人博平摆脱了传统意义上的仿真概念,它的逼真性和实时交互士研究员博士生导师国家863计划航夭航空领性为系统仿真技术提供了强有力的支持队而大幅度地提升域空间实验室及其应用主题专家组副组长主要从了系统操作的性能是仿真技术发展过程中的里程碑并将事现代控制理论、智能化系统设计、面向空间应用的在未来的应用特别是仿真模拟和商品(特别是文化娱乐)遥科学及微小航天器的轨道控制技术研究领域具有很大的潜力给人类生活带来巨大的改观。欧珊瑚1978.12-)男汉族)湖南省岳阳人硕士研究生,主要研究方向为数字图象压缩技术。irtual Reality Simulation and ApplicationsZHANG Heng oU Shan-huInstitute of Mechanics Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, ChinaABSTRACT Virtual Reality is a new human machine interface technology and advanced simulatechnology. It has broken away from the limitation of the old traditional human中国煤化工 action mode. t also strengthens human activity and flexibility of simulation methods. It is the hottest researCN MH Formation technology. In thispaper, the background of VR technology is introduced. The characteristics and basic structure of VR technology is presented. The applicationof VR technology in the field of astronautics military affairs, telescience and robot etc. is summarized. Finally the existing problems in theKEYWORDS Virtual reality i Simulation;Immersion457