综述VR技术在系统仿真中的应用.docx

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1、 X X学院Heze University本科生毕业设计（论文）题目 综述VR技术在系统仿真中的应用 姓名 学号 系 别 专业 电子信息科学与技术 指导教师 职称 2010 年 x月xx日X X学院教务处制19 目 录摘要1关键词1ABSTRACT1Key word21概述 21.1VR技术的概念 21.2VR技术的基本特征 21.3VR技术的发展概况 21.3.1萌芽阶段(20世纪50年代至 60年代)21.3.2初步发展阶段（20世纪70年代至 80年代）31.3.3高级发展阶段（20世纪90年代至今）32 国内外VR技术的研究现状4 2.1国外VR技术研究现状 42.1.1美国VR技术的

2、研究动态 42.1.2英国VR技术的研究动态 52.1.3日本VR技术的研究动态52.2我国VR技术研究现状 5VR技术在系统仿真中的应用63.1系统仿真概述 63.2VR技术在航天仿真中的应用73.2.1意义 73.2.2研究现状 73.2.3应用趋势 83.2.4关键技术9 3.3 VR在结构工程仿真中的应用9 3.3.1在工程结构分析中的应用10 3.3.2在防灾工程中的应用103.3.3在模拟施工过程中的应用10 3.4 VR技术在制造行业视景仿真中的应用11 3.5 VR技术在建筑、城市规划视景仿真中的应用13 3.6 VR技术在军事视景仿真中的应用143.6.1虚拟战场环境153.

3、6.2单兵模拟训练与评喷码机15 3.7VR技术在医学生物工程视景仿真中的应用154 VR技术发展展望16 4.1人性化的交互操作界面16 4.2大型网络分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reallty,DVR的研制与应用175 总 结17参考文献 17致 谢18综述VR技术在系统仿真中的应用 电子信息科学与技术专业学生 栗军涛 指导老师 吴艳君 摘 要新技术的出现肯定会推动一系列行业、学科的发展.然而在应用的初期阶段自然会有一些混乱和误解,这是发展的必然规律。现代仿真建模工具的发展经历了简单原型、物理模型、通用编程语言、仿真专用语言、仿真结果的动画显示及可视化交互式仿真

4、等一系列大的阶段,每个阶段的转变都体现了这种从模糊到一致的规律。多媒体及虚拟现实是近年来研究及谈论的热点,并且在很多行业已经有了许多实际应用。那么在仿真领域如何应用这些新技术呢?本文着重阐述了将系统仿真与虚拟现实技术相结合后，在航天技术、军事领域、工程结构分析、岩土工程、防灾工程及模拟施工等结构工程领域中应用的基本思路和发展前景。将虚拟现实技术引入系统仿真领域后对传统仿真手段产生了强烈冲击。并产生了一门新的技术虚拟仿真技术。本文针对虚拟现实技术在系统仿真当中的应用与发展前景试图从一些术语的基本概念、含义入手,说明虚拟现实与系统仿真这二者之间的关系及应用条件,为在仿真中合理、有效地应用新技术做一

5、些探索。关键词：系统仿真计算机模拟多媒体虚拟现实Summary of VR technology in the system SimulationStudent majoring in Electronic Information Science and Technology LijuntaoTutorWuyanjunAbstractEmergence of new technologies will certainly promote a series of industry development of the subject. However, in the early stages o

6、f the application of naturally there will be some confusion and misunderstanding, which is inexorable law of development. The development of modern simulation modeling tools through a simple prototype, physical model, universal programming language, simulation-specific language, the simulation resul

7、ts of animation and visual interactive simulation and a series of major stages, each stage of change is reflected This line from the vague to the law. In recent years, multimedia and virtual reality research and discuss hot, and in many industries already have many practical applications. So in the

8、simulation field to apply these new technologies? This article focuses on the system simulation and the combination of virtual reality technology, aerospace technology, engineering structural analysis, geotechnical engineering, construction and other disaster prevention engineering and simulation ap

9、plication areas of structural engineering The basic ideas and development prospects.Simulation of virtual technology into the field of simulation after the traditional means had a strong impact. In this paper, simulation of virtual reality technology in the application and development prospects were

10、 trying some of the basic concept of the term, meaning to start, indicating that the virtual reality and simulation and application of the relationship between the two conditions for the simulation in a reasonable and effective application of new technology to do some exploring. Key words ： Virtual

11、Reality System Simulation Computer Simulation Multimedia1 概 述1.1 虚拟现实技术的概念虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境-虚拟环境，用户投入这种环境中，就可与之交互作用、相互影响。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而也大大推进了计算机技术的发展。目前，虚拟现实技术已在建筑、教育培训、医疗、军事模拟、科学和金融可视化等方面获得了应用，渐已成为21世纪广泛应用的一种新技术

12、。1.2 VR技术的基本特征VR是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，它具有以下三个基本特征:沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和构想(Imagination)，即通常所说的“3I”。 1.沉浸 是指用户借助各类先进的传感器进入虚拟环境之后，由于他所看到的、听到的、感受到的一切内容非常逼真，因此，他相信这一切都“真实”存在，而且相信自己正处于所感受到的环境中。 2.交互 是指用户进入虚拟环境后，不仅可以通过各类先进的传感器获得逼真的感受，而且可以用自然的方式对虚拟环境中的物体进行操作。如搬动虚拟环境中的一个虚拟盒子，甚至还可以在搬动盒子时感受到盒子的

13、重量。 3.构想 是由虚拟环境的逼真性与实时交互性而使用户产生更丰富的联想，它是获取沉浸感的一个必要条件。1.3 VR技术的发展概况1.3.1 萌芽阶段（20世纪50年代至 60年代）早在20世纪50年代，单一平台的仿真系统已经得到了广泛的应用。当时已经有了大量的用模拟计算机控制的飞行模拟器。1962年6月GE公司为阿波罗登月计划开发了一个飞行模拟器，当时投入使用的系统已经能够显示地面上的一些简单纹理。1962年，美国麻省理工学院林肯实验室的Ivan Sutherland发表了一篇题为“人-机通讯的图形系统”的博士论文，首次使用了“Computer Graphics”这个术语，从而确立了计算机

14、图形学作为一崭新的独立的科学分支。1963年美国林克公司生产了第一台数字电子计算机式的波音727飞行模拟器。1965年，Ivan Sutherland在一篇名为“The Ultimate Display(终极的显示)”的论文中，首次提出了一种全新的、富有挑战性的图形显示技术，即能够使观察者直接沉浸在计算机生成的虚拟世界之中。同时，他还可以用手、脚等部位以自然的方式与虚拟世界进行交互，虚拟世界会产生相应的反应。这一理论后来被公认在虚拟现实技术中起着里程碑的作用，所以人们称Ivan Sutherland既是“计算机图形学”之父，也是“虚拟现实技术”之父。1966年，美国的MIT林肯实验室研制出了第

15、一个头盔式显示器(HMD Helmet Mounted Display)。1968年，Sutherland在哈佛大学的组织下开发了头盔式立体显示器，后来又开发了第一个虚拟系统。1.3.2 初步发展阶段（20世纪70年代至 80年代）1973年，Myron Krueger提出了“Artificial Reality”一词，这是最早出现的有关虚拟现实方面的词语。在70年代，美国的F16 飞行模拟器的视景系统具有135度40度范围的视场角，因此影像十分清淅，有助於起落飞行及攻击目标。1978年，美国的一个空军上尉在一篇论文中首次提出了联网仿真的思想。80年代，美国NASA及美国国防部组织了一系列有关

16、虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。1983年，美国国防部高级研究计划局（DARPADefense Advanced Research Projects Agency）和美国军队联合实施了仿真网络（SIMNETSimulation Networking）计划，通过网络把地面车辆（坦克、装甲车）等模拟器连接在一起，形成一个整体战场环境，进行队组级的协同作战训练和演习。SIMNET采用了一种无中心服务器的对等式网络体系结构，即整个仿真网络环境中没有中心服务器，各仿真节点之间是完全平等的关系，每一个仿真节点即可以是信息提供者，同时也可以是信息接受者。这种网络结构在一定程度上减少了对网络带

17、宽的要求，同时还增加了网络的稳定性，不会因为某一仿真器的异常终止而导致整个仿真任务的终止。到1990年，这个系统包括了约260个地面装甲车辆模拟器和飞机飞行模拟器，以及通讯网络、指挥所和数据处理设备等，这些设备和人员分布在美国和德国的11个城市。通过这个系统可以训练军事人员和团组，也可对武器系统的性能进行研究和评估。这就是早期的分布交互式仿真系统（DISDistributed Interactive Simulation）。分布交互式仿真也称为先进分布仿真，是指以计算机网络为支持，用网络将分布在不同地理位置的不同类型的仿真实体对象联结起来，通过仿真实体之间的实时数据交换构成一个时空一致、大规模

18、、多参与者协同作用的综合性仿真环境，以实现含人平台、非含人平台间的交互以及平台与环境间的交互，其主要特点体现在分布性、交互性、异构性、时空一致性和开放性等五个方面。1.3.3 高级发展阶段（20世纪90年代至今）1990年，美国国防高级研究计划局提出了聚集级仿真协议（ALSPAggregate Level Simulation Protocol）的概念。所谓聚集级仿真，是指军、师、团、营、连等部队单元级的构造仿真而不是单个实体的仿真。这个协议主要研究聚集级的分布交互式仿真系统的体系结构、标准、和关键技术，用来将现有的多个聚集级作战仿真应用通过局域网或广域网互联。荷兰1992年完成的毒刺导弹训练

19、器（VST）是虚拟现实技术用于单兵武器模拟设备的代表作，它在头盔内形成一个空间动态立体场景；随操作者的头部动作而相应改变场景，以训练操作者对付敌方飞行器的机动能力和瞄准能力。到1994年，DIS的规模在美军已达到连接15个地方的近10000个实体（武器平台）。1995年10月，美国国防部制定了一个建模与仿真主计划（MSMPModeling and Simulation Master Plan），这个计划明确了建模与仿真工作的发展目标，介绍和定义了建模与仿真的标准化过程，从而确保此过程的通用性、可重要性、可共享性和互操作性。这一目标代表了美国军方的建模与仿真的发展方向。美国军方为加速发展大型的分

20、布式军用信息系统C4ISR (Command, Control, Communication,Computers,Intelligence,Surveillance and Reconnaissance)系统，从高层管理机构开始，强调统一认识、统一行动，在规范化的系统框架下加速发展公共支持技术，提出了高层体系结构（HLAHigh Lever Architecture）的概念。HLA主要包括建模规则、模型模板等技术规范，并提供运行时的基本支撑环境，用于支持各类仿真器和仿真模型互操作的分布式仿真。从此，美国军事仿真办公室将研究重点逐渐从DIS转移到HLA，并将HLA作为分布式虚拟战场环境和其他类似

21、的军用仿真应用开发的基础。首次应用HLA体系结构的合成战场环境（STOWSynthetic Threaten Of War）是由美国美国国防部高级研究计划局资助的分布交互仿真研究项目，于1997年10月成功地举行了大规模军事演习STOW-97。该系统实现了高分辨率合成战场环境下（包括高分辨率的实体模型、高分辨率地形、高逼真度的环境效果和战场现象）的军事训练演习，演习涵盖了两栖作战、扫雷作战、战区导弹防御、空中打击、地面作战、特种作战、情报通信等各军兵种的作战任务。模拟的战场范围为500750平方公里，由分散在美、英两国的5个仿真站点组成，包括了3700多个仿真平台、8000多个仿真实体对象。2

22、001年，美空军拨款2000多万美元，专门聘请专家学者、虚拟游戏制作人，协助设计军用虚拟现实模拟训练系统，演练攻击冰天雪地里、山地中及沙漠里的恐怖分子小分队。同时，还能进行直升机营救模拟训练等。2002年，美国进行了名为Millennium Challenge 2002的联合综合演练实验。这是一个基于C4ISR现场指挥系统与计算机仿真的分布式虚拟战场系统的联合军事演练，共涉及3万个实体，17个不同地区的44个子系统，包括现场实体、虚拟实体、计算机生成兵力等不同类型的演练实体，每天24小时不间断地演练了3个星期。2006年，美国空军首次完成了全美范围的代号为“虚拟之旗2006”的虚拟仿真演习。演

23、习采用联网模拟器建立一个真实的模拟战场,对机组人员、空间和地面操作员进行测试。大约75%的机组人员能够在各自的基地参加演习。美空军又投入12亿美元研究一种虚拟游戏机大小的新型虚拟仿真飞行战术系统，能随时联接各种情报系统，实施战术训练，并准备为每个飞行中队配发一台。英、法投入近千万美元研制“微软模拟飞行训练系统”，以便更新航空联队使用的三维图像式虚拟现实模拟训练系统。日本、德国也研制成功多维虚拟飞行系统。可以预见，未来虚拟仿真训练系统将趋于小型化、综合化、游戏化 国内外VR技术的研究现状2.1国外VR技术研究现状VR技术最早在20世纪中期由美国VPL探索公司和它的创始人Jamn IJaIlier

24、提出这一概念，后来美国宇航局(NASA)的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和其它设备，开始研制低成本的系统，推动了该技术硬件的进步。目前，技术已获得了长足的发展。在国内，20世纪80年代末开始进行研究，目前还处于初级阶段。2.1.1美国VR技术的研究动态美国作为VR技术的发源地，其研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。美国宇航局(NASA)的Ames实验室研究主要集中在以下方面：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真；大量运用了面向座舱的飞行模拟技术；对哈勃太空望远镜

25、的仿真。现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”(vPE)的试验计划。3现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。Loma lAnda大学医学中心的David Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了VR儿科治疗法。麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境

26、的正规研究。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(1ilT lab)，将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。从90年代初起，美国率先将技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：虚拟战场环境；进行单兵模拟训练；实施诸军兵种联合演习；进行指挥员训练。2.1.2英国技术的研究动态在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈)设计和应用研究方面，英国是领先的，尤其是在欧洲。英国主要有四个从事VR技术研究的中心：Windustries(工业集团公司)，是国际VR界的著名开发机构，在工业设计和可视化等重要领域占有一席之地；BritishAerospace(英国航空公司BA

27、e)的Brough分部，正在利用VR技术设计高级战斗机座舱；Dimension International，是桌面VR的先驱。该公司生产了一系列的商业VR软件包，都命名为Superscape；Divison LTD公司在开发VISION、Pro Vision和supervision系统模块化高速图形引擎中，率先使用了Tmnsputer和i860技术。2.1.3日本技术的研究动态日本主要致力于建立大规模VR知识库的研究，在的游戏方面的研究也处于领先地位。京都的先进电子通信研究所(ATR)正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入；富士通实验室有限公司正在研究虚拟生

28、物与VR环境的相互作用，他们还在研究中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果拉到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是技术在嗅觉研究领域的一项突破。2.2我国技术研究现状我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。国内一些重点院校，已积极

29、投入到了这一领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，并在以下方面取得进展：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、演示环境、用于飞行员训练的系统、应用系统的开发平台等。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉；使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算

30、法；哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题；并正在研究人说话时的头势和手势动作，话音和语调的同步等。清华大学计算机科学和技术系对和临场感的方面进行了研究；例如球面屏幕现实和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。西安交通大学信息工程研究所对中的关键技术立体显示技术进行了研究，提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度；北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片相似就出自该中心。关于的研究已经完成了两个“

31、863”项目。大连海事大学对技术在航海仿真中的应用方面进行了研究，例如船舶运动与主动力装置综合智能控制仿真系统的研究获得2005年度中国航海学会科学技术奖进步二等奖；所发明的“电子海图（航道图）及其应用系统”获得2008年度国家科技进步二等奖，该系统是我国目前唯一符合国际标准的、有自主知识产权的电子海图（航道图）应用平台；研究开发的“高品质航海模拟器及其开发平台”已通过交通部的成果鉴定，此项目的完成打破了少数发达国家对高端航海模拟器的市场的垄断，极大的提高了我国在应用航海模拟器进行航海教学与培训，开展科学研究领域的国际地位。大连海事大学信息科学技术学院教育仿真技术研究所对技术在电子产品仿真实训

32、中的应用方面也做出了很的的贡献，承担并出色的完成了教育部辽宁省职业教学资源信息化的多个项目。另外，西北工业大学CAD/CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所等单位也进行了一些研究工作和尝试。3 VR技术在系统仿真中的应用3.1系统仿真概述所谓仿真就是建立系统的模型（数学模型、物理效应模型或数学-物理效应模型），并在模型上进行实验和研究一个存在的或设计中的系统。这里的系统包括技术系统，如土木、机械、电子、水力、声学、热学等，也包括社会、经济、生态、生物和管理系统等非技术系统。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控

33、制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的迅猛发展，则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。 仿真技术得以发展的主要原因是它带来了重大的社会和经济效益。系统仿真的应用大致可分为：对已有系统进行分析时采用仿真技术；对尚未有的系统进行设计时采用仿真技术；在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的、现在的、甚至是未来的信息，以便用户实时作出正确的决策； 在系统运行前，利用仿真模型作为预测器，向用户提供系统运行起来后，可能产生什么现象，以便用户修 订计划或决策；利用仿真模型作为训练器，训练系统操纵人员或管理人员。

34、在工程领域仿真技术可以降低系统的研制成本，可以提高系统实验、调试和训练过程的安全。 一般认为，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。传统仿真技术中，一个仿真系统要首先建立起系统的数学模型-一次仿真模型，然后再改写成适合计算机处理的形式-仿真模型。仿真模型可以说是系统二次近似模型。建立起仿真模型后，才能书写相应的程序。仿真基本上是一种通过实验来求解的技术。通过仿真实验要了解系统中各变量之间的关系，要观察系统模型变量变化的全过程，此外，为了对仿真模型进行深入研究和结果优化，还必须进行多次运行，系统优化等工作，因此，良好的人机交互性是系统仿真的一个重要特性。3.2 在航天仿真中应用众所周知，航

35、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

36、。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，本文对其展开讨论，以期有所裨益。 3.2.1 意义 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，具体表现在如下几个方面： 1.人-机界面具有三维立体感，人融于系统，人机

37、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

38、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。长时间、远距离和多乘员的载人空间飞行将是21世纪航天技术发展的必然趋势，为了保证有良好的人（航天员）-机（载人航天器显示、控制系统）界面以提高

39、航天员-载人航天器-空间环境这个大系统的可靠性和安全性，开展基于技术的航天仿真技术的研究，不但可以填补我国在此领域内的研究空白，而且也将为我国中、长期空间飞行的载人航天器（如空间站和空间实验室）型号任务的实施创造有利条件。 美国航宇局各中心当前主要VR研究项目3.2.2 研究现状 1965年，美国麻省理工学院的科学家设计了一种头盔显示器，通过传感器和计算机仿真环境的相互作用，可以感觉到自己在几何图形中的移动，产生身临其境的感受，由此诞生了一种新的仿真手段技术。但由于其研制的头盔显示器性能较差，价格昂贵，很长时间内该项技术得不到应用。随着计算机图形学的发展，80年代中期，美国艾姆斯航天研究中心利

40、用流行的液晶显示电视和其它设备开始研究低成本的系统，这对于技术的软、硬件研制发展推动很大。到了90年代，该项技术受到广泛关注并向实用迈进。例如美国马歇尔空间飞行中心研制载人航天器的VR座舱，指导座舱布局设计并训练航天员熟悉航天器的舱内布局、界面和位置关系，演练飞行程序。目前，美国各大航天中心已广泛地应用VR技术开展相应领域内的研究工作（如表所示）。在VR技术传入我国后，除几所院校建立一些初步的VR系统模型外，尚无在航天仿真领域展开此项技术的应用研究。 一般而言，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

41、，并显示给被试，最终实现它们之间的交互作用。这样，将被试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。 基于上述过程，一个完整的航天仿真系统由下面三部分构成。 1.虚拟环境产生器一个能产生三维世界的软、硬件环境是VR 系统的核心部件。它的主要功能是接收被试相关的运动信息（如头部、眼、手等），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和发出触觉、压力等反馈信号。 2.输入输出设备其目的是使被试能通过视觉、 听觉和触觉等方式与虚拟环境实现信息的交互作用。主要包括头盔显示器、操纵杆和数据手套等，它们是被试与虚拟环境建立联系的关键。 3.

42、数据接口其作用是将虚拟环境产生器、 输入输出设备以及被试等有机连接成一体，这不仅包括硬件协配问题，也包括软、硬件联调以及人机界面等技术内容。 3.2.3 应用趋势 纵观国外主要航天大国的研究，归纳起来，技术在航天仿真研究中应用的发展趋势是： 1.航天员训练器利用虚拟训练系统对航天员进行失重心理训练， 使其建立失重环境下空间方位感。其次，通过构造航天器虚拟座舱模型，训练航天员熟悉舱内布局、界面和位置关系，演练飞行程序和操作技能等。还有，在航天器某些关键设备在轨运行期间发生故障时，为使航天员能正确进行在轨修理，可以通过技术，在地面或空间站对其进行修理培训。例如，1993年，美国约翰逊航天中心启用了

43、一套系统来训练航天员熟悉太空环境，为修复哈勃望远镜作准备。航天员通过操作虚拟设备，大大提高了操作水平。 2.航天工效学作为一种新型的人机界面，利用VR 系统可以更好地研究人与航天器之间的接口关系与功能分配，使舱内结构和布局更适合人的特性。此外，还可进行操作飞行程序和人机功能分配等合理性评价。 3.交会对接人工控制虚拟仿真技术航天器的空间交会对接是发展载人航天事业的一项关键技术。其控制方式分为自动和人工控制两种，根据国外经验，人工控制在交会对接的最终逼近与对接过程中发挥非常重要的作用。目前现有的人工控制交会对接仿真系统是由计算机系统（包括数学模型）、运动模拟器、座舱（包括控制操作台）、视景系统、操作负载系统等五部分组成，其设备复杂、投资巨大。若采用技术，整个系统由计算机仿真、头盔显示器和数据手套三部分组成。即将交会对接动力学模型存入计算机系统，通过计算机仿真，实时地解出这两个航天器间的相对距离和姿态角参量，通过计算机生成图像，在头盔显示器里实时地显示两个航天器虚拟环境，此时航天员就像真正处在飞行空间进行交会对接操作一样。因而，这样建立的系统设备简单、投资少。另外，若需考虑空间环境因素（如失重、加速度等），可以把虚