【文章內(nèi)容簡介】 ；所發(fā)明的“電子海圖（航道圖）及其應(yīng)用系統(tǒng)”獲得2008年度國家科技進步二等獎，該系統(tǒng)是我國目前唯一符合國際標(biāo)準(zhǔn)的、有自主知識產(chǎn)權(quán)的電子海圖（航道圖）應(yīng)用平臺；研究開發(fā)的“高品質(zhì)航海模擬器及其開發(fā)平臺”已通過交通部的成果鑒定，此項目的完成打破了少數(shù)發(fā)達國家對高端航海模擬器的市場的壟斷，極大的提高了我國在應(yīng)用航海模擬器進行航海教學(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ＶＲ技術(shù)在電子產(chǎn)品仿真實訓(xùn)中的應(yīng)用方面也做出了很的的貢獻，承擔(dān)并出色的完成了教育部遼寧省職業(yè)教學(xué)資源信息化的多個項目。另外，西北工業(yè)大學(xué)CAD/CAM研究中心、上海交通大學(xué)圖像處理模式識別研究所等單位也進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），并在模型上進行實驗和研究一個存在的或設(shè)計中的系統(tǒng)。這里的系統(tǒng)包括技術(shù)系統(tǒng)，如土木、機械、電子、水力、聲學(xué)、熱學(xué)等，也包括社會、經(jīng)濟、生態(tài)、生物和管理系統(tǒng)等非技術(shù)系統(tǒng)。仿真技術(shù)的實質(zhì)也就是進行建模、實驗?，F(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計算機技術(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)展促進了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而計算機出現(xiàn)及計算技術(shù)的迅猛發(fā)展，則為仿真提供了強有力的手段和工具。因此，計算機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和經(jīng)濟效益。系統(tǒng)仿真的應(yīng)用大致可分為：對已有系統(tǒng)進行分析時采用仿真技術(shù)；對尚未有的系統(tǒng)進行設(shè)計時采用仿真技術(shù)；在系統(tǒng)運行時，利用仿真模型作為觀測器，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，以便用戶實時作出正確的決策； 在系統(tǒng)運行前，利用仿真模型作為預(yù)測器，向用戶提供系統(tǒng)運行起來后，可能產(chǎn)生什么現(xiàn)象，以便用戶修 訂計劃或決策；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)實驗、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算機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驗來求解的技術(shù)。通過仿真實驗要了解系統(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，為了對仿真模型進行深入研究和結(jié)果優(yōu)化，還必須進行多次運行，系統(tǒng)優(yōu)化等工作，因此，良好的人機交互性是系統(tǒng)仿真的一個重要特性。 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)計時必須考慮的重要問題。因此，可利用仿真技術(shù)經(jīng)濟、安全及可重復(fù)性等特點，進行飛行任務(wù)或操作的模擬，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，從而獲得提高航天員工作效率或航天器系統(tǒng)可靠性等的設(shè)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(shè)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(shè)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。 意　義 ＶＲ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，而且使操作者能夠進入該環(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)的計算機仿真方法得到完善與發(fā)展，而且也將大大提高設(shè)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： 　 ，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(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次數(shù)，降低負(fù)荷，同時也讓其注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，以及相對距離是否合適，只有通過實驗確定。因此利用VR 作為工具設(shè)計出相應(yīng)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面前，就能達到理想客觀的實驗效果。，具有高度的靈活性。 因為它僅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。　　 ?，F(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際的載人航天器　座艙中，據(jù)此展開的相應(yīng)試驗研究具有實際意義。　 。改用真實的航天器進行相應(yīng)的試驗研究是不可能實現(xiàn)的， 因為耗資巨大，經(jīng)費條件不允許。而采用ＶＲ技術(shù)，由于其研制周期較短，設(shè)計修改和改型僅通過軟件修改實現(xiàn)，可重復(fù)使用，設(shè)備損耗低，這樣可大大節(jié)省經(jīng)費投入。長時間、遠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，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)）界面以提高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ＶＲ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(lǐng)域內(nèi)的研究空白，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(wù)的實施創(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手段ＶＲ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(yīng)用。隨著計算機圖形學(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)，這對于ＶＲ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。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)域展開此項技術(shù)的應(yīng)用研究。 一般而言，ＶＲ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浸到數(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)果去控制虛擬世界，并顯示給被試，最終實現(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)的提高。 基于上述過程，一個完整的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)的運動信息（如頭部、眼、手等），分路/ 分時生成左、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。 、 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。 、 輸入輸出設(shè)備以及被試等有機連接成一體，這不僅包括硬件協(xié)配問題，也包括軟、硬件聯(lián)調(diào)以及人機界面等技術(shù)內(nèi)容。 應(yīng)用趨勢 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ＶＲ技術(shù)，在地面或空間站對其進行修理培訓(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，還可進行操作飛行程序和人機功能分配等合理性評價。 。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最終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(xué)模型）、運動模擬器、座艙（包括控制操作臺）、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(xué)模型存入計算機系統(tǒng)，通過計算機仿真，實時地解出這兩個航天器間的相對距離和姿態(tài)角參量，通過計算機生成圖像，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作一樣。因而，這樣建立的系統(tǒng)設(shè)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(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。因為采用通常技術(shù)的仿真器設(shè)備多、重量和體積大，一般是不可能實現(xiàn)空間環(huán)境效應(yīng)的。 ，可利用VR技術(shù)進行原理設(shè)計、邏輯驗證及模型的仿真。設(shè)計者通過與設(shè)計的虛擬交互，不僅可及時觀察到所設(shè)計部件的整體結(jié)構(gòu)與外形，而且還能夠及時改進設(shè)計中的原理或功能性缺陷，從而提高設(shè)計與研制效率。 ，將與研究對象相關(guān)的專家知識納入知識庫，并根據(jù)這些知識進行推理，因而能解釋用戶的請求，確定必要的輸入數(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。 ， 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(yīng)動作的聲音，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，建立一個完善實用的航天仿真ＶＲ系統(tǒng)，需要在以下四個方面取得突破： 如前所述，VR 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(yīng)低于10ｍｓ。因為延遲越長，系統(tǒng)越不逼真，延遲過長甚至產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)（如運動病）。另外，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，視景生成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ＶＲ技術(shù)的一個首要環(huán)節(jié)。目前這種環(huán)境生成工具專用性很強，尚不具有通用性。 ，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(xué)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)形狀、再入狀態(tài)與著陸場等逼真的虛擬環(huán)境，需要的圖像生成速度為8000萬個多邊形/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