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虚拟现实与航海仿真技术
2010年4月3日    评论:    分享:

    引言

 

    虚拟现实(Virtual Reality简称VR)是一门集成了人与信息的科学。其核心是由一些三维的交互式计算机生成的环境组成。这些环境可以是真实的,也可以是想象的世界模型,其目的是通过人工合成的经历来表示信息。有了虚拟现实技术,复杂或抽象系统的概念的形成可以通过将系统的各子部件以某种方式表示成具有确切含义的符号而成为可能。虚拟现实是融合了许多人的因素,且放大了它对个人感觉影响的工程。虚拟现实技术是建立在集成诸多学科如心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学、机器人及多媒体技术等之上的。虚拟现实应具有以下三个方面的含义:

 

    (1)浸没感(Immersion)首先VR是通过计算机生成一个非常逼真的足以“迷惑”我们人类视觉的虚幻的世界。这种“迷惑”是多方面的,我们不仅可以看到而且可以听到、触到及嗅到这个虚拟世界中所发生的一切。这种感觉是如此的真实,以至于我们能全方位地浸没在这个虚幻的世界中,这就是VR的首要功能,即浸没感或临场参与感。一般来说,虚拟系统的输出设备应尽可能面向使用者的感觉器官以保证良好的浸没感,如头盔式显示器(HMD),它将使用者的听觉视觉功能完全置于虚拟的环境之中并切断了所有外界信息。使用者在虚拟的环境漫游可以通过跟踪使用者的头及身体的运动来完成,与虚拟物的接触通过戴在手上的传感装置检测来实现。

 

    (2)交互性(Interaction)虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型是不一样的,它不是一个静态的世界,而是一个开放的环境,它可以对使用者的输入(如手势,语言命令)作出响应。比如你可以拿起一虚拟的火炬并打开其开关,你一推操纵杆,仿佛可以在里面漫游,你甚至可以用虚拟的手感触到虚拟物体存在,虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响或被使用者影响,这是VR的第二个特征,即交互性。

 

    (3)构想性(Imagation)虚拟现实不仅仅是一个媒体,一个高级用户界面,它是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件,它以夸大的形式反映了设计者的思想,比如当在盖一座现代化的大厦之前,你首先要做的事是对这座厦的结构做细致的构思,为了使之定量化,你还需设计许多图纸,当然这些图纸只能内行人读懂。正如这些图纸反映的是设计者的构思,虚拟现实同样反映的是某个设计者的思想,只不过它的功能远比那些呆板的图纸生动,强大的多。所以国外有些学者称VR为放大人们心灵的工具,或人工现实(artifical reality)。这是VR所具有的第三类特征,即构想性。

 

    因此,虚拟现实是人们可以通过视听触等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。

 

    1 虚拟现实技术

 

    虚拟现实是人类与计算机和极其复杂的数据进行交互的一种方法。虚拟环境技术的体系结构可以用图1所示的3-I“三角形”来表示,所谓的“3-I”是:Immersion Interaction Imagination(浸没-交互-构想)。这三个IVR系统的三个基本特征。它表示VR系统使人从过去的只能从计算机系统的外部去观测计算处理的结果,发展到能够浸没到计算机系统所创建的系统中;从过去人只能通过链盘、鼠标与计算环境中的数字化信息发生交互作用,到能够利用多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用;从过去的人只能从以定量计算为主的结果中得到启发从而加深对事物的认识,到有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识从而深化概念和萌发新意。也就是说,VR系统中,人们的目的是使计算机及其他传感器组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要,而不是强迫人去“凑合”那些不很亲切的计算机系统。


虚拟环境技术体系结构

    以上各种类型仿真的层次关系可用上图来表示。如果单纯从仿真、多媒体、虚拟现实三者的概念角度来讲,它们的关系也可用图3来表示。一个VR基本系统的组成如下图所示:


虚拟现实系统的基本组成

 

    2 VR的应用特点和关键技术

 

    2.1 VR技术的应用特点

 

    VR最终将在训练系统中得到广泛的应用。

 

    美国海军已启动名为“虚拟环境技术应用于训练(VETT)”计划。基于VR/VE的航海系统训练模拟器具有如下优势:

 

    (1)较之传统模拟器,它所创造的环境更逼真,更引人入胜,从而能提高模拟器在某些应用中的有效性。

 

    (2)可缩小模拟器的尺寸(不用大屏幕)、减小模拟器装置的数量(多投影仪和多通道图像投影仪),从而能降低成本。

 

    (3)应用时不用指导人员和学员直接打交道,可以减少模拟器操作人员的需求量,从而能降低其运行费用。

 

    (4)增加学员在主模拟器上的净训练时间,提高训练的效率。

 

    与此同时,VR技术也存在着自己的不足。由于受到实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术的限制,真实感虚拟世界的生成、虚拟环境对用户操作的检测和操作数据的获取手段比较有限;虚拟环境中模拟操作者的协作技术还不成熟等等。

 

    2.2 VR的关键技术

 

    (1)环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容,环境建模的目的是获取实际三维环境的三维数据,并根据应用的需求,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

 

    (2)立体声合成和立体显示技术。在虚拟现实系统中,如何消除声音的方向与用户头部运动的相关性已成为声学专家们研究的热点。同时,虽然三维图形生成和立体图形生成技术已经较为成熟,但复杂场景的实时显示一直是计算机图形学的重要研究内容。

 

    (3)触觉反馈。在虚拟现实系统中,产生深临其境效果的关键因素之一是让用户能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力。然而研究力学反馈装置是相当困难的,如何解决现有高精度装置的高成本和大重量是一个需要进一步研究的问题。

 

    (4)交互技术。虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式,三维交互技术已经成为计算机图形学中的一个重要研究课题。此外,语音识别与语音输入技术也是虚拟现实系统的一种重要人机交互手段。

 

    (5)系统集成技术。由于虚拟现系统中包括大量的感知信息和模型,因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等。

 

    3 VR在航海仿真中的应用现状

 

    有些国家已经或正在开发用于航海操作训练的VR模拟器,例如加拿大MARS系统和美国的VESUB工程。MARS是加拿大海军用来训练甲板部低级船员(OOD)虚拟现实模拟器,用于在深海开阔水域的操作训练。系统包括本船水动力模型、HMD、语音识别(识别OOD的命令)、合成语音应答、指令输入接口(用于控制模拟器)、回放以及学员反馈等模块。和普通航海模拟器不同,它不需大屏幕和投影仪;学员只需要戴上一顶“帽子”(HMD头盔),模拟器的屏幕就在“帽檐”的前端,和学员的眼睛距离不到一尺。由于该系统的HMD分辨率低,且其视景更新频率低(低于10Hz),延迟较大,故训练中有部分学员出现“模拟器证状”(头疼、恶心、眼睛疲劳等)VESUB是由美国海军发起展开的VR训练系统项目,是为潜艇OOD港区航行训练而设计的。潜艇在水面航行、以及进入或离开港区时,OOD得站在潜艇甲板上,指挥潜艇的驾驶、保持航线和避碰。因此他得保持了望并与潜艇内的工作人员协调好,因为可供OOD直接使用的仪器只有罗经复示器,他得依靠艇内人员的支持才能使用雷达、潜望镜和其他电航设备。VESUB是一个十分庞大的项目,参与部分多,开发阶段长,前后可分为三个阶段:探索开发阶段、技术论证阶段和采办部署阶段。系统的基本理念和MARS相似,但它考虑的因素十分复杂(包括风、流、浅水、岸壁和能见度等环境因素,多个真实港口的数据库,多种潜艇水动力模型,锚、缆、碰垫和拖船等),运用的高新技术多(高性能视景成像设备和语音识别系统,高分辩率HMD和高灵敏度位置跟踪等),功能也十分强大(达到了综合船舶操纵模拟器的水平)

 

    虚拟现实不仅能应用于训练系统,还可以用于航海系统工程开发。在实际开发或操作一个系统之前,可创建虚拟模型来评价和改进该系统的设计或操作方案。例如美国海军的海上战略补给计划,其中考虑到在没有港口设备可供使用时如何从其战略补给船(巨型滚装船)上卸货的问题。这其中需要利用重吊搭起补给船与浮平台之间的坡道,由于用作坡道的跳板十分巨大(长达35m,重达120t),因此搭建坡道的作业显得十分艰难。于是项目承担者决定利用VR技术建立该作业的虚拟模型来设计和改进作业方案。

 

    4 VR在航海仿真中的应用原则及应用前景

 

    4.1在航海仿真中应用VR技术的原则

 

    (1)选择主要是视觉输入和命令输出的应用,避免那些需要复杂控制和显示操作的应用。因为目前HMD和语音识别及生成技术已发展到一定水平,但触觉反馈技术进展不足。

 

    (2)选择不需要辩认远处细小物标的应用。因为HMD的分辩率不能达到很高。

 

    (3)选择主要是单人作业的应用,避免要求多人密切配合。因为HMD趋向于把使用者从真实环境中孤立出来,而目前在即时虚拟环境中模拟操作者搭档的技术还不成熟。

 

    (4)选择使用者活动范围较小或者受控的应用。因为跟踪系统的跟踪范围有所限制。

 

    (5)另外为了充分利用VR技术的优势,应选择能充分发挥其自主性和交互性的应用。

 

    4.2 VR模拟器的应用前景

 

    (1)传统船舶引航和靠泊引航该领域的训练研究模拟器十分适合运用VR技术,引航员的信息输入主要来自视觉和雷达观测,命令传达是通过语言和VHF通信。操作中很少需要直接动手进行控制、显示和定位。同时,利用HMD能提供无限制的视域,这非常有助于船舶操纵和靠泊操作。前述MARS和潜艇OOD这两个模型的应用与引航十分相似。

 

    (2)拖船联合作业模拟 在拖船联合作业中,拖船船长一般在驾驶室独立工作,信息传递是通过无线电通信和内部电话;控制拖船的设备比较简单(舵和节流阀/螺距调节杆);所需视角特别宽(经常要求360°),但重要物标距离近。

 

    (3)海上补给、工程船舶和内河船舶/驳船以及顶推船舶 这些应用和上述第二项很相似,并且价格优势将成为VR模拟器的最大吸引力。

 

    (4)吊杆操作 目前,除了集装箱装卸桥操作员有训练模拟器外,大多吊杆操作员都是在工作中学习操作。随着海运工业的发展,港口吊杆的操作变得越来越复杂,潜在危险性也越来越大。为吊杆操作员和指挥操作的水头开发训练模拟器的必要性已经十分明显。由于应用中操作员需要宽广的视野,同时其控制比较简单,因此采用VR模拟器将是其最好的选择。

 

    5 结束语

 

    随着VR技术的进一步发展及其实践经验的逐步积累,VR模拟器还会在其他航海应用中大显身手。不久我们将会看到VR模拟器在高速渡船操纵、综合驾驶台模拟、机舱控制室和货物操作模拟等等方面取得广泛的应用。

 

    参考文献

    [1]李珍香,张跃华.仿真技术与虚拟现实技术[J].电脑学习,2000(5):2-4

    [2]曾建超,俞志和.虚拟现实的技术及其应用[M].北京:清华大学出版.1996.10-19

    [3]李锦涛,刘国香等.虚拟环境技术[M].北京:中国铁道出版社,1996.18-154

 

标签:航海仿真MARS
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