【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ；所發(fā)明的“電子海圖（航道圖）及其應(yīng)用系統(tǒng)”獲得2008年度國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，該系統(tǒng)是我國目前唯一符合國際標(biāo)準(zhǔn)的、有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電子海圖（航道圖）應(yīng)用平臺(tái)；研究開發(fā)的“高品質(zhì)航海模擬器及其開發(fā)平臺(tái)”已通過交通部的成果鑒定，此項(xiàng)目的完成打破了少數(shù)發(fā)達(dá)國家對(duì)高端航海模擬器的市場(chǎng)的壟斷，極大的提高了我國在應(yīng)用航海模擬器進(jìn)行航海教學(xué)與培訓(xùn)，開展科學(xué)研究領(lǐng)域的國際地位。大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院教育仿真技術(shù)研究所對(duì)ＶＲ技術(shù)在電子產(chǎn)品仿真實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用方面也做出了很的的貢獻(xiàn)，承擔(dān)并出色的完成了教育部遼寧省職業(yè)教學(xué)資源信息化的多個(gè)項(xiàng)目。另外，西北工業(yè)大學(xué)CAD/CAM研究中心、上海交通大學(xué)圖像處理模式識(shí)別研究所等單位也進(jìn)行了一些研究工作和嘗試。3 VR技術(shù)在系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用所謂仿真就是建立系統(tǒng)的模型（數(shù)學(xué)模型、物理效應(yīng)模型或數(shù)學(xué)物理效應(yīng)模型），并在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究一個(gè)存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。這里的系統(tǒng)包括技術(shù)系統(tǒng)，如土木、機(jī)械、電子、水力、聲學(xué)、熱學(xué)等，也包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、生物和管理系統(tǒng)等非技術(shù)系統(tǒng)。仿真技術(shù)的實(shí)質(zhì)也就是進(jìn)行建模、實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)聯(lián)的。控制工程和系統(tǒng)工程的發(fā)展促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而計(jì)算機(jī)出現(xiàn)及計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，則為仿真提供了強(qiáng)有力的手段和工具。因此，計(jì)算機(jī)仿真在仿真中占有越來越重要的地位。 仿真技術(shù)得以發(fā)展的主要原因是它帶來了重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)仿真的應(yīng)用大致可分為：對(duì)已有系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)采用仿真技術(shù)；對(duì)尚未有的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用仿真技術(shù)；在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，利用仿真模型作為觀測(cè)器，給用戶提供有關(guān)系統(tǒng)過去的、現(xiàn)在的、甚至是未來的信息，以便用戶實(shí)時(shí)作出正確的決策； 在系統(tǒng)運(yùn)行前，利用仿真模型作為預(yù)測(cè)器，向用戶提供系統(tǒng)運(yùn)行起來后，可能產(chǎn)生什么現(xiàn)象，以便用戶修 訂計(jì)劃或決策；利用仿真模型作為訓(xùn)練器，訓(xùn)練系統(tǒng)操縱人員或管理人員。在工程領(lǐng)域仿真技術(shù)可以降低系統(tǒng)的研制成本，可以提高系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和訓(xùn)練過程的安全。 一般認(rèn)為，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。傳統(tǒng)仿真技術(shù)中，一個(gè)仿真系統(tǒng)要首先建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一次仿真模型，然后再改寫成適合計(jì)算機(jī)處理的形式仿真模型。仿真模型可以說是系統(tǒng)二次近似模型。建立起仿真模型后，才能書寫相應(yīng)的程序。仿真基本上是一種通過實(shí)驗(yàn)來求解的技術(shù)。通過仿真實(shí)驗(yàn)要了解系統(tǒng)中各變量之間的關(guān)系，要觀察系統(tǒng)模型變量變化的全過程，此外，為了對(duì)仿真模型進(jìn)行深入研究和結(jié)果優(yōu)化，還必須進(jìn)行多次運(yùn)行，系統(tǒng)優(yōu)化等工作，因此，良好的人機(jī)交互性是系統(tǒng)仿真的一個(gè)重要特性。 ＶＲ在航天仿真中應(yīng)用眾所周知，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)必須考慮的重要問題。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)或操作的模擬，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(chǎng)合，從而獲得提高航天員工作效率或航天器系統(tǒng)可靠性等的設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)所研究的對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)其展開討論，以期有所裨益。 意　義 ＶＲ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，而且使操作者能夠進(jìn)入該環(huán)境，直接觀測(cè)和參與該環(huán)境中事物的變化與相互作用。因此，將ＶＲ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，而且也將大大提高設(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： 　 ，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)也讓其注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(duì)距離是否合適，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面前，就能達(dá)到理想客觀的實(shí)驗(yàn)效果。，具有高度的靈活性。 因?yàn)樗鼉H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?！　? 。現(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ＶＲ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?！?。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， 因?yàn)楹馁Y巨大，經(jīng)費(fèi)條件不允許。而采用ＶＲ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)投入。長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離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(shì)，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)）界面以提高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ＶＲ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)的研究空白，而且也將為我國中、長(zhǎng)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(hào)任務(wù)的實(shí)施創(chuàng)造有利條件。 美國航宇局各中心當(dāng)前主要VR研究項(xiàng)目 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手段ＶＲ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(zhǎng)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)備開始研究低成本的ＶＲ系統(tǒng)，這對(duì)于ＶＲ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)。例如美國馬歇爾空間飛行中心研制載人航天器的VR座艙，指導(dǎo)座艙布局設(shè)計(jì)并訓(xùn)練航天員熟悉航天器的艙內(nèi)布局、界面和位置關(guān)系，演練飛行程序。目前，美國各大航天中心已廣泛地應(yīng)用VR技術(shù)開展相應(yīng)領(lǐng)域內(nèi)的研究工作（如表所示）。在VR技術(shù)傳入我國后，除幾所院校建立一些初步的VR系統(tǒng)模型外，尚無在航天仿真領(lǐng)域展開此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用研究。 一般而言，ＶＲ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浸到數(shù)據(jù)空間中。它是通過對(duì)研究對(duì)象的模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，由計(jì)算機(jī)結(jié)果去控制虛擬世界，并顯示給被試，最終實(shí)現(xiàn)它們之間的交互作用。這樣，將被試投入到虛擬環(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)的提高。 基于上述過程，一個(gè)完整的ＶＲ航天仿真系統(tǒng)由下面三部分構(gòu)成。 、硬件環(huán)境是VR 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)生成左、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(hào)。 、 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。 、 輸入輸出設(shè)備以及被試等有機(jī)連接成一體，這不僅包括硬件協(xié)配問題，也包括軟、硬件聯(lián)調(diào)以及人機(jī)界面等技術(shù)內(nèi)容。 應(yīng)用趨勢(shì) 縱觀國外主要航天大國的研究，歸納起來，ＶＲ技術(shù)在航天仿真研究中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)是： ， 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，訓(xùn)練航天員熟悉艙內(nèi)布局、界面和位置關(guān)系，演練飛行程序和操作技能等。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ＶＲ技術(shù)，在地面或空間站對(duì)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ＶＲ系統(tǒng)來訓(xùn)練航天員熟悉太空環(huán)境，為修復(fù)哈勃望遠(yuǎn)鏡作準(zhǔn)備。航天員通過操作虛擬設(shè)備，大大提高了操作水平。 ，利用VR 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)行操作飛行程序和人機(jī)功能分配等合理性評(píng)價(jià)。 。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(huì)對(duì)接的最終逼近與對(duì)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(huì)對(duì)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（包括控制操作臺(tái)）、視景系統(tǒng)、操作負(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ＶＲ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(huì)對(duì)接動(dòng)力學(xué)模型存入計(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(duì)距離和姿態(tài)角參量，通過計(jì)算機(jī)生成圖像，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(huì)對(duì)接操作一樣。因而，這樣建立的系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)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(huì)對(duì)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。因?yàn)椴捎猛ǔ＜夹g(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。 ，可利用VR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，從而提高設(shè)計(jì)與研制效率。 ，將與研究對(duì)象相關(guān)的專家知識(shí)納入知識(shí)庫，并根據(jù)這些知識(shí)進(jìn)行推理，因而能解釋用戶的請(qǐng)求，確定必要的輸入數(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。 ， 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(shí)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浸于虛擬世界中，提高仿真試驗(yàn)效果。 關(guān)鍵技術(shù) 根據(jù)上述應(yīng)用前景，我們認(rèn)為，建立一個(gè)完善實(shí)用的航天仿真ＶＲ系統(tǒng)，需要在以下四個(gè)方面取得突破： 如前所述，VR 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(duì)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(cè)延遲的閾值約10ｍｓ，所以VR系統(tǒng)要求的延遲應(yīng)低于10ｍｓ。因?yàn)檠舆t越長(zhǎng)，系統(tǒng)越不逼真，延遲過長(zhǎng)甚至產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)（如運(yùn)動(dòng)?。Ａ硗?，使用多邊形越多，視景效果越真實(shí)，但是增加多邊形，會(huì)使其延遲時(shí)間拉長(zhǎng)。這樣，視景生成對(duì)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，但成本昂貴。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。 。 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ＶＲ技術(shù)的一個(gè)首要環(huán)節(jié)。目前這種環(huán)境生成工具專用性很強(qiáng)，尚不具有通用性。 ，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(duì)接機(jī)構(gòu)形狀、再入狀態(tài)與著陸場(chǎng)等逼真的虛擬環(huán)境，需要的圖像生成速度為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。 1