■　三維技術(shù)在航天研究中的仿真可視化應用

時間：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)建和體驗虛擬世界 (Virtual World) 的計算機系統(tǒng)。它是由計算機產(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，一個身臨其境的仿真可視化三維技術(shù)系統(tǒng)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(wǎng)絡等技術(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的信息技術(shù)，目前已在軍事、醫(yī)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(shù)進行虛擬座艙的布局，實現(xiàn)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(shù)很多、非常復雜的系統(tǒng)工程，保證其安全、可靠是航天器設計時必須考慮的重要題目。因此，可利用仿真技術(shù)經(jīng)濟、安全及可重復性等特點，進行飛行任務或操縱的模擬，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，從而獲得進步航天員工作效率或航天器系統(tǒng)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(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計模型，然后根據(jù)實驗方案在模型上進行各種實驗，分析實驗結(jié)果。其中設計的系統(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)庫進行修改。此外，實驗結(jié)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(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

仿真可視化三維技術(shù)的核心是通過計算機產(chǎn)生一種如同“身臨其境”的具有動態(tài)、聲像功能的三維空間環(huán)境，而且使操縱者能夠進進該環(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)實技術(shù)應用于航天仿真研究，不但可以使得該領域內(nèi)的計算機仿真方法得到完善與發(fā)展，而且也將大大進步設計與試驗的逼真性、實效性和經(jīng)濟性，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

1.人-機界面具有三維立體感，人融于系統(tǒng)，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(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次數(shù)，降低負荷，同時也讓其留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，以及相對間隔是否合適，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眼前，就能達到理想客觀的實驗效果。

2.繼續(xù)了現(xiàn)有計算機仿真技術(shù)的優(yōu)點，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)的設置，就可模擬現(xiàn)實世界中物理參數(shù)的改變，這樣，隨著任務的變化，已有的軟件再經(jīng)修改即可滿足新任務的要求，所以十分靈活、方便。

3.突破環(huán)境限制。現(xiàn)有航天仿真的計算機系統(tǒng)體現(xiàn)不了空間失重環(huán)境， 而建立虛擬現(xiàn)實系統(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際的載人航天器座艙中，據(jù)此展開的相應試驗研究具有實際意義。

4.節(jié)省研究經(jīng)費。改用真實的航天器進行相應的試驗研究是不可能實現(xiàn)的， 由于耗資巨大，經(jīng)費條件不答應。而采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，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(xiàn)，可重復使用，設備損耗低，這樣可大大節(jié)省經(jīng)費投進。 長時間、遠間隔和多乘員的載人空間飛行將是21世紀航天技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，為了保證有良好的人（航天員）-機（載人航天器顯示、控制系統(tǒng)）界面以進步航天員-載人航天器-空間環(huán)境這個大系統(tǒng)的可靠性和安全性，開展基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的航天仿真技術(shù)的研究，不但可以填補我國在此領域內(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（如空間站和空間實驗室）型號任務的實施創(chuàng)造有利條件。

二、研究現(xiàn)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(huán)境的相互作用，可以感覺到自己在幾何圖形中的移動，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，價格昂貴，很長時間內(nèi)該項技術(shù)得不到應用。隨著計算機圖形學的發(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)展推動很大。到了90年代，該項技術(shù)受到廣泛關(guān)注并向?qū)嵱眠~進。
一般而言，仿真可視化三維技術(shù)系統(tǒng)具有兩大特點：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行計算機仿真，由計算機結(jié)果往控制虛擬世界，并顯示給被試，終極實現(xiàn)它們之間的交互作用。這樣，將被試投進到虛擬環(huán)境中來真實地注視數(shù)據(jù)以進行交換，與現(xiàn)有的航天仿真方法相比有質(zhì)的進步。
基于上述過程，一個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)的運動信息（如頭部、眼、手等），分路/ 分時天生左、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(fā)出觸覺、壓力等反饋信號。

2.輸進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(huán)境實現(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、 輸進輸出設備以及被試等有機連接成一體，這不僅包括硬件協(xié)配題目，也包括軟、硬件聯(lián)調(diào)以及人機界面等技術(shù)內(nèi)容。

三、應用趨勢

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用的發(fā)展趨勢是：

1.航天員練習器利用虛擬練習系統(tǒng)對航天員進行失重心理練習， 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)鍵設備在軌運行期間發(fā)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(xiàn)實技術(shù)，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(xiàn)實系統(tǒng)來練習航天員熟悉太空環(huán)境，為修復哈勃看遠鏡作預備。航天員通過操縱虛擬設備，大大進步了操縱水平。

2.航天工效學作為一種新型的人機界面，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，還可進行操縱飛行程序和人機功能分配等公道性評價。

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)的一項關(guān)鍵技術(shù)。其控制方式分為自動和人工控制兩種，根據(jù)國外經(jīng)驗，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)是由計算機系統(tǒng)（包括數(shù)學模型）、運動模擬器、座艙（包括控制操縱臺）、視景系統(tǒng)、操縱負載系統(tǒng)等五部分組成，其設備復雜、投資巨大。若采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，整個系統(tǒng)由計算機仿真、頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套三部分組成。即將交會對接動力學模型存進計算機系統(tǒng)，通過計算機仿真，實時地解出這兩個航天器間的相對間隔和姿態(tài)角參量，通過計算機天生圖像，在頭盔顯示器里實時地顯示兩個航天器虛擬環(huán)境，此時航天員就像真正處在飛行空間進行交會對接操縱一樣。因而，這樣建立的系統(tǒng)設備簡單、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。這種具有空間環(huán)境效應的虛擬仿真器是現(xiàn)有仿真系統(tǒng)所沒有的。由于采用通常技術(shù)的仿真器設備多、重量和體積大，一般是不可能實現(xiàn)空間環(huán)境效應的。

4.航天環(huán)境控制與生命保障工程設計在航天服和環(huán)境生保系統(tǒng)的設計與研制中，可利用仿真可視化三維技術(shù)技術(shù)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(jié)構(gòu)與外形，而且還能夠及時改進設計中的原理或功能性缺陷，從而進步設計與研制效率。

5.智能化的虛擬系統(tǒng)利用人工智能技術(shù)使計算機通過編程模仿人的思維過程，將與研究對象相關(guān)的專家知識納進知識庫，并根據(jù)這些知識進行推理，因而能解釋用戶的請求，確定必要的輸進數(shù)據(jù)，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(fā)展創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實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)出相應動作的聲音，這樣能使被試更加沉醉于虛擬世界中，進步仿真試驗效果。

四、關(guān)鍵技術(shù)

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

1.系統(tǒng)硬件如前所述，仿真可視化三維技術(shù)的一個重要特點是通過仿真為被試提供一個虛構(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)生負效應（如運動?。Ａ硗?，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，視景天生對計算機硬件的速度要求更高。從目前技術(shù)看，要實現(xiàn)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(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)境天生工具來實現(xiàn)。 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(xiàn)實技術(shù)的一個首要環(huán)節(jié)。目前這種環(huán)境天生工具專用性很強，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)境由計算機通過三維圖像處理用立體圖像方式表現(xiàn)出來，同時根據(jù)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(jù)數(shù)學和視覺原理用小多邊形構(gòu)造出來的。據(jù)估計，建立載人航天器和它的對接機構(gòu)外形、再進狀態(tài)與著陸場等逼真的虛擬環(huán)境，需要的圖像天生速度為8000萬個多邊形/秒。這就要有專門的數(shù)學模型和仿真軟件， 而這正是三維圖像處理的主要內(nèi)容。

4.系統(tǒng)性能評價建立的航天仿真可視化三維技術(shù)系統(tǒng)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）?，F(xiàn)有的評價方法包括兩個方面：一是對系統(tǒng)進行測試，將結(jié)果與所研究對象的實際參數(shù)或數(shù)據(jù)進行比較；二是對仿真模型進行主觀定性評價。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其逼真度，多是依據(jù)主觀定性評價。因此，發(fā)展客觀檢測方法進行評價也是亟待解決的重要題目。

五、幾點看法

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)實世界中通過人機界面往觀察分析研究對象的參數(shù)，而是沉醉到由計算機創(chuàng)造的一種虛擬世界之中，在這里面如同真實世界一樣與四周的虛擬環(huán)境事物進行交互作用。因此，針對航天仿真技術(shù)的特點，建立虛擬系統(tǒng)，不但設備相對簡單、投資少，而且可以真實地模擬空間效應，進而可作練習器，所以它是今后研究中值得推廣和應用的技術(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(tài)，在可行的基礎上建立一套虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)。另外，在設計視景軟件時，應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,不同于真實世界。因此,如何平衡被試的心理負荷,避免操縱失誤以及焦慮、緊張等狀態(tài)，讓其將VR 技術(shù)真正作為一項實用的研究工具，進步工作效率，擺脫不必要的心理負擔，這也是航天仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用中必不可少的一門課題。

4.建立航天仿真用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)， 主要的硬件如圖像天生計算機和頭盔顯示器等，由于技術(shù)發(fā)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題目.