航天仿真虚拟现实系统解决方案

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航天仿真虚拟现实系统解决方案





本方案由搜维尔VR研究室推出。虚拟现实 ( Virtual Reality,简称VR) 是一种可以创建和体验虚拟世界 (Virtual World) 的计算机系统。其中虚拟世界为全体虚拟环境（Virtual Environment)或给定仿真对象的全体，它是由计算机产生，通过视、听、 触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真。因此，一个身临其境的虚拟现实系统是由包括计算机图形学、图像处理与模式识别、多传感器、语音处理与音像以及网络等技术所构成的大型综合集成环境。由于它是一门综合性极强的信息技术，目前已在军事、医学、设计和娱乐等领域得到了广泛应用。例如，波音公司曾利用VR技术进行虚拟座舱的布局，实现了完美的实际座舱布局设计。



众所周知，航天飞行是一项耗资巨大、变量参数很多、非常复杂的系统工程，保证其安全、可靠是航天器设计时必须考虑的重要问题。因此，可利用仿真技术经济、安全及可重复性等特点，进行飞行任务或操作的模拟，以代替某些费时、费力、费钱的真实试验或者真实试验无法开展的场合，从而获得提高航天员工作效率或航天器系统可靠性等的设计对策。这样，航天仿真研究就成为确保航天器安全、可靠的有效技术途径。然而，大多数现有的仿真系统采用传统的仿真理论，即针对所研究的对象设计模型，然后根据实验方案在模型上进行各种实验，分析实验结果。其中设计的系统模型通常是由相互联系的数据结构集合和过程集合构成，具有一体化的信息和控制，因此很难对数据库进行修改。此外，实验结果的分析与处理也十分繁冗，同时，也不能直接对其作出解释。因而，随着仿真技术向可视化方向的发展，将VR技术与仿真理论相结合，据此进行航天仿真的研究，不失为一个行之有效的方法。
方案特色：
1、人-机界面具有三维立体感，人融于系统，人机浑然一体。 以座舱仪表布局为例，原则上应把最重要且经常查看的仪表放在仪表板中心区域，次重要的仪表放在中心区域以外的地方。这样能减少航天员的眼动次数，降低负荷，同时也让其注意力落在重要仪表上。但究竟哪块仪表放在哪个精确的位置，以及相对距离是否合适，只有通过实验确定。因此利用VR 作为工具设计出相应具有立体感、 逼真性高的排列组合方案，再逐个进行试验，使被试处于其中，仿佛置身于真实的载人航天器座舱仪表板面前，就能达到理想客观的实验效果。



2、继承了现有计算机仿真技术的优点，具有高度的灵活性。 因为它仅需通过修改软件中视景图像有关参数的设置，就可模拟现实世界中物理参数的改变，这样，随着任务的变化，已有的软件再经修改即可满足新任务的要求，所以十分灵活、方便。
3、突破环境限制。现有航天仿真的计算机系统体现不了空间失重环境， 而建立虚拟现实系统，通过虚拟的景象和声响就可以使被试处于太空飞行中实际的载人航天器座舱中，据此展开的相应试验研究具有实际意义。
4、节省研究经费。改用真实的航天器进行相应的试验研究是不可能实现的， 因为耗资巨大，经费条件不允许。而采用虚拟现实技术，由于其研制周期较短，设计修改和改型仅通过软件修改实现，可重复使用，设备损耗低，这样可大大节省经费投入。
系统特点：
一般而言，虚拟现实系统具有两大特点：可以从数据空间向外观察和被试可以沉浸到数据空间中。它是通过对研究对象的模型进行计算机仿真，由计算机结果去控制虚拟世界，并显示给被试者，最终实现它们之间的交互作用。这样，将被试者投入到虚拟环境中来真实地注视数据以进行交换，与现有的航天仿真方法相比有质的提高。
虚拟现实技术的核心是通过计算机产生一种如同“身临其境”的具有动态、声像功能的三维空间环境，而且使操作者能够进入该环境，直接观测和参与该环境中事物的变化与相互作用。因此，将虚拟现实技术应用于航天仿真研究，不但可以使得该领域内的计算机仿真方法得到完善与发展，而且也将大大提高设计与试验的逼真性、实效性和经济性。



方案核心：
建立一个完善实用的航天仿真虚拟现实系统，需要在以下四个方面取得突破：
1、系统硬件如前所述，VR 技术的一个重要特点是通过仿真为被试提供一个虚构的但能反映对象变化的环境，这需要大量的数据处理。一般来说，人脑检测延迟的阈值约10ｍｓ，所以VR系统要求的延迟应低于10ｍｓ。因为延迟越长，系统越不逼真，延迟过长甚至产生负效应（如运动病）。另外，使用多边形越多，视景效果越真实，但是增加多边形，会使其延迟时间拉长。这样，视景生成对计算机硬件的速度要求更高。从目前技术看，要实现低于10ｍｓ的延时，处理器速度需达到90ＭＩｐｓ（每秒百万条指令）。达到这一性能甚至更高一些是可能的，但成本昂贵。此外，为了得到高质量的图像，头盔显示器必须有50～100万个像素，因此，应着力研究分辨率高、体积小的显示器，以满足系统需要。
2、环境生成工具构造虚拟现实环境要通过环境生成工具来实现。 计算机图像处理中智能性图形特征分析与推理及图形模块相互作用和处理，是虚拟现实技术的一个首要环节。目前这种环境生成工具专用性很强，尚不具有通用性。
3、三维图像处理技术虚拟系统的视景环境由计算机通过三维图像处理用立体图像方式表现出来，同时根据研究要求和约束条件，完成实验所用的三维显示界面。它是根据数学和视觉原理用小多边形构造出来的。据估计，建立载人航天器和它的对接机构形状、再入状态与着陆场等逼真的虚拟环境，需要的图像生成速度为8000万个多边形/秒。这就要有专门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。
4、系统性能评价建立的航天仿真VR系统是否实用， 其中一个重要的评价指标是逼真度（即与所研究对象的吻合程度）。现有的评价方法包括两个方面：一是对系统进行测试，将结果与所研究对象的实际参数或数据进行比较；二是对仿真模型进行主观定性评价。对于VR系统，目前尚无有效手段客观评价其逼真度，多是依据主观定性评价。因此，发展客观检测方法进行评价也是亟待解决的重要问题。
系统集成：
一个完整的虚拟现实航天仿真系统大致由虚拟环境产生器、交互系统两部分构成。
一、虚拟环境产生器
一个能产生虚拟三维世界的软、硬件系统，此项是虚拟现实（VR） 系统的核心部分。他的主要功能是为用户构建一个逼真的虚拟环境，使用户可以完全地沉浸其中。此部分包括服务器主机、软件部分、立体显示系统及音响，下面分别介绍。
1、服务器主机
由于在生产虚拟环境的过程中需要处理大量的数据，且人类大脑延迟的阀值约为10毫秒，所以系统的延迟应低于10毫秒，若高于10毫秒则会出现失真现象，甚至致使被测者出现运动病，通过这些在处理器的要求上至少速度要达到90ＭＩｐｓ。
推荐服务器：Quantum3D CatalystSE DBGS 6000虚拟现实系统服务器
2、软件部分
在虚拟环境产生器中软件部分为整套系统的灵魂，通过软件系统中的各个部分可以有效的衔接起来形成一个整体，并且负责提供各种指令及算法，输出相对应的数据。
推荐软件：Virtools™ 5.0--3D 可视化编程开发平台、Unity3D PRO 虚拟现实、跨平台应用程序开发引擎、TechViz Virtual Workbench。
3、立体显示系统
它的主要作用是分路/ 分时生成左、右眼视图，并融合成三维立体图像，同时进行三维声音合成。其目的是使被试能通过视觉、 听觉实现与虚拟环境现实信息的交互。常用的有多通道立体投影系统、头戴式立体显示器，用户可根据实际情况自主选择相应类型。
推荐显示端：多通道立体投影系统、eMagin Z800 3D Visor头戴立体显示器、Virtual Research VR1280 虚拟现实头戴式显示器、5DT HMD 800-40 3D 虚拟现实头戴式显示器、
二、交互部分
它的主要功能是接收被试者相关的运动信息（如头部、眼、手等），并反馈出触觉、压力等信号。常用的交互设备有动作捕捉系统、数据手套、力反馈设备等。
1、动作捕捉系统
动作捕捉技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由动作捕捉系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后向系统提交交互数据，实现人机交互。
推荐产品：A.R.T.系统解决方案、Xsens Moven惯性运动捕捉系统、新版3DSuit惯性动作捕捉系统。
2、数据手套
数据手套是虚拟仿真中最常用的交互工具。数据手套设有弯曲传感器，弯曲传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成，通过导线连接至信号处理电路；在柔性电路板上设有至少两根导线，以力敏材料包覆于柔性电路板大部，再在力敏材料上包覆一层弹性封装材料，柔性电路板留一端在外，以导线与外电路连接。把人手姿态准确实时地传递给虚拟环境。
推荐品牌：CyberGlove数据手套、DGTech数据数据手套、5DT数据手套。
3、力反馈设备
所谓力反馈（Force Feedback），本来是应用于军事上的一种虚拟现实技术，它利用机械表现出的反作用力，将游戏数据通过力反馈设备表现出来，可以让用户身临其境地体验游戏中的各种效果。 力反馈技术能将游戏中的数据转化成用户可以感觉到的效果，例如道路上的颠簸或者转动方向盘感受到的反作用力，这些效果都是力反馈控制芯片“播放”出来的，
推荐品牌：HAPTION力反馈设备、Sensable力反馈设备。
应用领域：
适用于航天员训练、交会对接、航天环境控制、生命保障等等领域。