■　三維技術(shù)在航天研究中的仿真可視化應(yīng)用

時(shí)間：2014-05-12 12:17 | 作者：jiuyi | 瀏覽量：

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     仿真可視化三維技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界 (Virtual World) 的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，通過視、聽、 觸覺等作用，使用戶產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真。因此，一個(gè)身臨其境的仿真可視化三維技術(shù)系統(tǒng)是由包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識別、多傳感器、語音處理與音像以及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)所構(gòu)成的大型綜合集成環(huán)境。由于它是一門綜合性極強(qiáng)的信息技術(shù)，目前已在軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計(jì)和娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，波音公司曾利用VR技術(shù)進(jìn)行虛擬座艙的布局，實(shí)現(xiàn)了完美的實(shí)際座艙布局設(shè)計(jì)。

     眾所周知，航天飛行是一項(xiàng)耗資巨大、變量參數(shù)很多、非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，保證其安全、可靠是航天器設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要題目。因此，可利用仿真技術(shù)經(jīng)濟(jì)、安全及可重復(fù)性等特點(diǎn)，進(jìn)行飛行任務(wù)或操縱的模擬，以代替某些費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢的真實(shí)試驗(yàn)或者真實(shí)試驗(yàn)無法開展的場合，從而獲得進(jìn)步航天員工作效率或航天器系統(tǒng)可靠性等的設(shè)計(jì)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(shù)途徑。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的仿真系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的仿真理論，即針對所研究的對象設(shè)計(jì)模型，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案在模型上進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型通常是由相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)集合和過程集合構(gòu)成，具有一體化的信息和控制，因此很難對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與處理也十分繁冗，同時(shí)，也不能直接對其作出解釋。因而，隨著仿真技術(shù)向可視化方向的發(fā)展，將VR技術(shù)與仿真理論相結(jié)合，據(jù)此進(jìn)行航天仿真的研究，不失為一個(gè)行之有效的方法，本文對其展開討論，以期有所裨益。

一、意義

仿真可視化三維技術(shù)的核心是通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種如同“身臨其境”的具有動(dòng)態(tài)、聲像功能的三維空間環(huán)境，而且使操縱者能夠進(jìn)進(jìn)該環(huán)境，直接觀測和參與該環(huán)境中事物的變化與相互作用。因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于航天仿真研究，不但可以使得該領(lǐng)域內(nèi)的計(jì)算機(jī)仿真方法得到完善與發(fā)展，而且也將大大進(jìn)步設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的逼真性、實(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1.人-機(jī)界面具有三維立體感，人融于系統(tǒng)，人機(jī)渾然一體。 以座艙儀表布局為例，原則上應(yīng)把最重要且經(jīng)常查看的儀表放在儀表板中心區(qū)域，次重要的儀表放在中心區(qū)域以外的地方。這樣能減少航天員的眼動(dòng)次數(shù)，降低負(fù)荷，同時(shí)也讓其留意力落在重要儀表上。但究竟哪塊儀表放在哪個(gè)精確的位置，以及相對間隔是否合適，只有通過實(shí)驗(yàn)確定。因此利用VR 作為工具設(shè)計(jì)出相應(yīng)具有立體感、 逼真性高的排列組合方案，再逐個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)，使被試處于其中，仿佛置身于真實(shí)的載人航天器座艙儀表板眼前，就能達(dá)到理想客觀的實(shí)驗(yàn)效果。

2.繼續(xù)了現(xiàn)有計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有高度的靈活性。 由于它僅需通過修改軟件中視景圖像有關(guān)參數(shù)的設(shè)置，就可模擬現(xiàn)實(shí)世界中物理參數(shù)的改變，這樣，隨著任務(wù)的變化，已有的軟件再經(jīng)修改即可滿足新任務(wù)的要求，所以十分靈活、方便。

3.突破環(huán)境限制?，F(xiàn)有航天仿真的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體現(xiàn)不了空間失重環(huán)境， 而建立虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過虛擬的景象和聲響就可以使被試處于太空飛行中實(shí)際的載人航天器座艙中，據(jù)此展開的相應(yīng)試驗(yàn)研究具有實(shí)際意義。

4.節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)。改用真實(shí)的航天器進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究是不可能實(shí)現(xiàn)的， 由于耗資巨大，經(jīng)費(fèi)條件不答應(yīng)。而采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，由于其研制周期較短，設(shè)計(jì)修改和改型僅通過軟件修改實(shí)現(xiàn)，可重復(fù)使用，設(shè)備損耗低，這樣可大大節(jié)省經(jīng)費(fèi)投進(jìn)。 長時(shí)間、遠(yuǎn)間隔和多乘員的載人空間飛行將是21世紀(jì)航天技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，為了保證有良好的人（航天員）-機(jī)（載人航天器顯示、控制系統(tǒng)）界面以進(jìn)步航天員-載人航天器-空間環(huán)境這個(gè)大系統(tǒng)的可靠性和安全性，開展基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的航天仿真技術(shù)的研究，不但可以填補(bǔ)我國在此領(lǐng)域內(nèi)的研究空缺，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(shí)驗(yàn)室）型號任務(wù)的實(shí)施創(chuàng)造有利條件。

二、研究現(xiàn)狀

1965年，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種頭盔顯示器，通過傳感器和計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境的相互作用，可以感覺到自己在幾何圖形中的移動(dòng)，產(chǎn)生身臨其境的感受，由此誕生了一種新的仿真技術(shù)。但由于其研制的頭盔顯示器性能較差，價(jià)格昂貴，很長時(shí)間內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)得不到應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)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(shè)備開始研究低本錢的仿真可視化三維技術(shù)系統(tǒng)，這對于仿真可視化三維技術(shù)的軟、硬件研制發(fā)展推動(dòng)很大。到了90年代，該項(xiàng)技術(shù)受到廣泛關(guān)注并向?qū)嵱眠~進(jìn)。
一般而言，仿真可視化三維技術(shù)系統(tǒng)具有兩大特點(diǎn)：可以從數(shù)據(jù)空間向外觀察和被試可以沉醉到數(shù)據(jù)空間中。它是通過對研究對象的模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，由計(jì)算機(jī)結(jié)果往控制虛擬世界，并顯示給被試，終極實(shí)現(xiàn)它們之間的交互作用。這樣，將被試投進(jìn)到虛擬環(huán)境中來真實(shí)地注視數(shù)據(jù)以進(jìn)行交換，與現(xiàn)有的航天仿真方法相比有質(zhì)的進(jìn)步。
基于上述過程，一個(gè)完整的仿真可視化三維技術(shù)航天仿真系統(tǒng)由下面三部分構(gòu)成。

1.虛擬環(huán)境產(chǎn)生器一個(gè)能產(chǎn)生三維世界的軟、硬件環(huán)境是仿真可視化三維技術(shù) 系統(tǒng)的核心部件。它的主要功能是接收被試相關(guān)的運(yùn)動(dòng)信息（如頭部、眼、手等），分路/ 分時(shí)天生左、右眼視圖，并融合成三維立體圖像，同時(shí)進(jìn)行三維聲音合成和發(fā)出觸覺、壓力等反饋信號。

2.輸進(jìn)輸出設(shè)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(huán)境實(shí)現(xiàn)信息的交互作用。主要包括頭盔顯示器、操縱桿和數(shù)據(jù)手套等，它們是被試與虛擬環(huán)境建立聯(lián)系的關(guān)鍵。

3.數(shù)據(jù)接口其作用是將虛擬環(huán)境產(chǎn)生器、 輸進(jìn)輸出設(shè)備以及被試等有機(jī)連接成一體，這不僅包括硬件協(xié)配題目，也包括軟、硬件聯(lián)調(diào)以及人機(jī)界面等技術(shù)內(nèi)容。

三、應(yīng)用趨勢

縱觀國外主要航天大國的研究，回納起來，仿真可視化三維技術(shù)在航天仿真研究中應(yīng)用的發(fā)展趨勢是：

1.航天員練習(xí)器利用虛擬練習(xí)系統(tǒng)對航天員進(jìn)行失重心理練習(xí)， 使其建立失重環(huán)境下空間方位感。其次，通過構(gòu)造航天器虛擬座艙模型，練習(xí)航天員熟悉艙內(nèi)布局、界面和位置關(guān)系，演練飛行程序和操縱技能等。還有，在航天器某些關(guān)鍵設(shè)備在軌運(yùn)行期間發(fā)生故障時(shí)，為使航天員能正確進(jìn)行在軌修理，可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在地面或空間站對其進(jìn)行修理培訓(xùn)。例如，1993年，美國約翰遜航天中心啟用了一套虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來練習(xí)航天員熟悉太空環(huán)境，為修復(fù)哈勃看遠(yuǎn)鏡作預(yù)備。航天員通過操縱虛擬設(shè)備，大大進(jìn)步了操縱水平。

2.航天工效學(xué)作為一種新型的人機(jī)界面，利用仿真可視化三維技術(shù)系統(tǒng)可以更好地研究人與航天器之間的接口關(guān)系與功能分配，使艙內(nèi)結(jié)構(gòu)和布局更適合人的特性。此外，還可進(jìn)行操縱飛行程序和人機(jī)功能分配等公道性評價(jià)。

3.交會對接人工控制虛擬仿真技術(shù)航天器的空間交會對接是發(fā)展載人航天事業(yè)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其控制方式分為自動(dòng)和人工控制兩種，根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，人工控制在交會對接的終極逼近與對接過程中發(fā)揮非常重要的作用。目前現(xiàn)有的人工控制交會對接仿真系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（包括數(shù)學(xué)模型）、運(yùn)動(dòng)模擬器、座艙（包括控制操縱臺）、視景系統(tǒng)、操縱負(fù)載系統(tǒng)等五部分組成，其設(shè)備復(fù)雜、投資巨大。若采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)仿真、頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套三部分組成。即將交會對接動(dòng)力學(xué)模型存進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)仿真，實(shí)時(shí)地解出這兩個(gè)航天器間的相對間隔和姿態(tài)角參量，通過計(jì)算機(jī)天生圖像，在頭盔顯示器里實(shí)時(shí)地顯示兩個(gè)航天器虛擬環(huán)境，此時(shí)航天員就像真正處在飛行空間進(jìn)行交會對接操縱一樣。因而，這樣建立的系統(tǒng)設(shè)備簡單、投資少。另外，若需考慮空間環(huán)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(jī)上或模擬失重的水池里，直接在航天員身上產(chǎn)生失重或加速度效應(yīng)。這種具有空間環(huán)境效應(yīng)的虛擬仿真器是現(xiàn)有仿真系統(tǒng)所沒有的。由于采用通常技術(shù)的仿真器設(shè)備多、重量和體積大，一般是不可能實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境效應(yīng)的。

4.航天環(huán)境控制與生命保障工程設(shè)計(jì)在航天服和環(huán)境生保系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制中，可利用仿真可視化三維技術(shù)技術(shù)進(jìn)行原理設(shè)計(jì)、邏輯驗(yàn)證及模型的仿真。設(shè)計(jì)者通過與設(shè)計(jì)的虛擬交互，不僅可及時(shí)觀察到所設(shè)計(jì)部件的整體結(jié)構(gòu)與外形，而且還能夠及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)中的原理或功能性缺陷，從而進(jìn)步設(shè)計(jì)與研制效率。

5.智能化的虛擬系統(tǒng)利用人工智能技術(shù)使計(jì)算機(jī)通過編程模仿人的思維過程，將與研究對象相關(guān)的專家知識納進(jìn)知識庫，并根據(jù)這些知識進(jìn)行推理，因而能解釋用戶的請求，確定必要的輸進(jìn)數(shù)據(jù)，修正或選擇一個(gè)合適的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣具有更強(qiáng)的仿真能力。

6.交互方式的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)工具包和模擬治理器， 讓被試可以打開艙門、用手操縱開關(guān)等。而且還帶有聲音識別合成功能，能發(fā)出相應(yīng)動(dòng)作的聲音，這樣能使被試更加沉醉于虛擬世界中，進(jìn)步仿真試驗(yàn)效果。

四、關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)上述應(yīng)用遠(yuǎn)景，我們以為，建立一個(gè)完善實(shí)用的航天仿真可視化三維技術(shù)系統(tǒng)，需要在以下四個(gè)方面取得突破：

1.系統(tǒng)硬件如前所述，仿真可視化三維技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)是通過仿真為被試提供一個(gè)虛構(gòu)的但能反映對象變化的環(huán)境，這需要大量的數(shù)據(jù)處理。一般來說，人腦檢測延遲的閾值約10ｍｓ，所以VR系統(tǒng)要求的延遲應(yīng)低于10ｍｓ。由于延遲越長，系統(tǒng)越不逼真，延遲過長甚至產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)（如運(yùn)動(dòng)?。?。另外，使用多邊形越多，視景效果越真實(shí)，但是增加多邊形，會使其延遲時(shí)間拉長。這樣，視景天生對計(jì)算機(jī)硬件的速度要求更高。從目前技術(shù)看，要實(shí)現(xiàn)低于10ｍｓ的延時(shí)，處理器速度需達(dá)到90ＭＩｐｓ（每秒百萬條指令）。達(dá)到這一性能甚至更高一些是可能的，但本錢昂貴。此外，為了得到高質(zhì)量的圖像，頭盔顯示器必須有50～100萬個(gè)像素，因此，應(yīng)著力研究分辨率高、體積小的顯示器，以滿足系統(tǒng)需要。

2.環(huán)境天生工具構(gòu)造仿真可視化三維技術(shù)環(huán)境要通過環(huán)境天生工具來實(shí)現(xiàn)。 計(jì)算機(jī)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(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)首要環(huán)節(jié)。目前這種環(huán)境天生工具專用性很強(qiáng)，尚不具有通用性。

3.三維圖像處理技術(shù)虛擬系統(tǒng)的視景環(huán)境由計(jì)算機(jī)通過三維圖像處理用立體圖像方式表現(xiàn)出來，同時(shí)根據(jù)研究要求和約束條件，完成實(shí)驗(yàn)所用的三維顯示界面。它是根據(jù)數(shù)學(xué)和視覺原理用小多邊形構(gòu)造出來的。據(jù)估計(jì)，建立載人航天器和它的對接機(jī)構(gòu)外形、再進(jìn)狀態(tài)與著陸場等逼真的虛擬環(huán)境，需要的圖像天生速度為8000萬個(gè)多邊形/秒。這就要有專門的數(shù)學(xué)模型和仿真軟件， 而這正是三維圖像處理的主要內(nèi)容。

4.系統(tǒng)性能評價(jià)建立的航天仿真可視化三維技術(shù)系統(tǒng)是否實(shí)用， 其中一個(gè)重要的評價(jià)指標(biāo)是逼真度（即與所研究對象的吻合程度）?，F(xiàn)有的評價(jià)方法包括兩個(gè)方面：一是對系統(tǒng)進(jìn)行測試，將結(jié)果與所研究對象的實(shí)際參數(shù)或數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；二是對仿真模型進(jìn)行主觀定性評價(jià)。對于仿真可視化三維技術(shù)系統(tǒng)，目前尚無有效手段客觀評價(jià)其逼真度，多是依據(jù)主觀定性評價(jià)。因此，發(fā)展客觀檢測方法進(jìn)行評價(jià)也是亟待解決的重要題目。

五、幾點(diǎn)看法

1.虛仿真可視化三維技術(shù)與現(xiàn)有仿真的區(qū)別在于， 被試不再是坐在現(xiàn)實(shí)世界中通過人機(jī)界面往觀察分析研究對象的參數(shù)，而是沉醉到由計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的一種虛擬世界之中，在這里面如同真實(shí)世界一樣與四周的虛擬環(huán)境事物進(jìn)行交互作用。因此，針對航天仿真技術(shù)的特點(diǎn)，建立虛擬系統(tǒng)，不但設(shè)備相對簡單、投資少，而且可以真實(shí)地模擬空間效應(yīng)，進(jìn)而可作練習(xí)器，所以它是今后研究中值得推廣和應(yīng)用的技術(shù)。

2.從整體水平看，國內(nèi)在仿真可視化三維技術(shù)研究方面剛剛起步，與國外相比，存在很大差距。為此，我們應(yīng)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(dòng)態(tài)，在可行的基礎(chǔ)上建立一套虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)。另外，在設(shè)計(jì)視景軟件時(shí)，應(yīng)與國際仿真軟件的發(fā)展趨勢接軌。

3.仿真可視化三維技術(shù)系統(tǒng)究竟是一種虛擬化的事物,不同于真實(shí)世界。因此,如何平衡被試的心理負(fù)荷,避免操縱失誤以及焦慮、緊張等狀態(tài)，讓其將VR 技術(shù)真正作為一項(xiàng)實(shí)用的研究工具，進(jìn)步工作效率，擺脫不必要的心理負(fù)擔(dān)，這也是航天仿真虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用中必不可少的一門課題。

4.建立航天仿真用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)， 主要的硬件如圖像天生計(jì)算機(jī)和頭盔顯示器等，由于技術(shù)發(fā)展速度很快，估計(jì)用不了幾年時(shí)間它們的性能就難以滿足研究要求了。為此我們應(yīng)重點(diǎn)研究人-虛擬世界之間高速交互作用等題目.