利用計算機技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備維修的可行性研究

孫世鵬　畢衛(wèi)紅　張巧玲

摘 要：本文介紹了某設(shè)備維修虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的工作原理、技術(shù)特點、各種功能以及應(yīng)用前景。闡述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在維修領(lǐng)域的具體應(yīng)用和對可應(yīng)用性的技術(shù)、設(shè)備等性能進行分析。并闡述虛擬現(xiàn)實技術(shù)在將來有著舉足輕重的作用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù) 三維技術(shù)

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1.1技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）就是采用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗系統(tǒng)。

1.2基本特征及功能

虛擬現(xiàn)實是計算機與用戶之間的一種更為理想化的人-機界面形式。通常用戶頭戴一個頭盔（用來顯示立體圖象的頭式顯示器），手持傳感手套，仿佛置身于一個幻覺世界中，在虛擬環(huán)境中漫游，并允許操作其中的“物體”。與傳統(tǒng)計算機相比，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有三個重要特征：臨境性、交互性、想象性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)潛在的應(yīng)用范圍很廣。

1.3 系統(tǒng)組成

虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成系統(tǒng)是一個人和機器組成的閉環(huán)系統(tǒng)。其中人是虛擬環(huán)境的用戶、即為虛擬環(huán)境的接受者與作用者，他用自身的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺與動作行為去作用于虛擬環(huán)境及其中的虛擬對象。機器部分主要是生成與變換虛擬環(huán)境景象的超高速處理以及人與計算機輸入輸出信息的接口設(shè)備。它包括頭盔、顯示器、數(shù)據(jù)手套和現(xiàn)實引擎等幾個主要部分，同時還有圖形圖象、傳感器、軟件、多媒體計算機、錄像設(shè)備、工作臺、環(huán)境模擬系統(tǒng)、音響設(shè)備、投影儀等共同作用而形成的一個完善系統(tǒng)。

1.4基本原理

該系統(tǒng)的基本原理是：當(dāng)你打開計算機虛擬現(xiàn)實應(yīng)用程序系統(tǒng)，由圖形圖象工作站存儲和提供訓(xùn)練所需要的信息，此時頭盔視聽系統(tǒng)中就出現(xiàn)虛擬的真實環(huán)境，隨著你頭腦中的想象及對系統(tǒng)的操作，虛擬的真實環(huán)境中將全出現(xiàn)你預(yù)想達(dá)到的效果。你在這一環(huán)境中，運用虛擬的真實系統(tǒng)和部組件。

1.5主要特點

1.5.1標(biāo)準(zhǔn)的工作流程

由于該系統(tǒng)向人們提供的虛擬的設(shè)備器材和維修工具是按照產(chǎn)品圖紙制作的真實三維圖像；向人們提供的維修技術(shù)條件，來自于總部下發(fā)的維修技術(shù)文件；維修方法是運用統(tǒng)籌法制定的較為優(yōu)化維修。通過以上保證了培訓(xùn)的質(zhì)量。

1.5.2短時高效的工作效果

該系統(tǒng)即可使受訓(xùn)人員學(xué)習(xí)部組件的構(gòu)造，又可以進行實習(xí)操作訓(xùn)練，由于圖、文、數(shù)據(jù)、技術(shù)指導(dǎo)等都是信息化控制，具有實時性和快速性。與傳統(tǒng)的培訓(xùn)方法相比，大大縮短了技術(shù)咨詢，非實習(xí)操作的部件分解組合等時間，極大的縮短了培訓(xùn)周期，提高培訓(xùn)效果。

1.5.3人機的智能結(jié)合

雖然計算機具有極強的信息處理功能，但也不能具備足夠的與人類相比的智能，也無法完全取代人工。所以在很多計算機應(yīng)用的場合下，特別是對信息的理解和決策需要人的參與，也就是說我們需要利用人、機交互來彌補計算機智能的不足。

1.5.4不受任何具體設(shè)備的制約

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過計算機對真實的設(shè)備器材和維修工具進行合成顯示，并不通過實件維修，也不受任何具體設(shè)備的制約。它所仿真的不僅僅是設(shè)備部件，而同時能表現(xiàn)與真實環(huán)境一樣的設(shè)備部件維修場景，從這一點上也能看出，虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是一個pc機中的真實環(huán)境。

1.6應(yīng)用范圍及開發(fā)前景

實踐證明，這樣的系統(tǒng)擁有廣泛的市場前景，它可以應(yīng)用在醫(yī)療旅游、教育、娛樂等眾多的社會領(lǐng)域中。具有使用安全、方便簡單、效果真實、成本低廉、不受外界環(huán)境干擾和使人印象深刻等眾多特點。

2.三維圖形程序設(shè)計

2.1程序概述

三維圖形世界使我們可以更加直觀、形象地認(rèn)識和了解我們還未完全了解的客觀世界；三維圖形使我們可以進入人類還沒有，甚至無法進入的地方；三維圖形的許多應(yīng)用如模擬訓(xùn)練使我們可以極大的節(jié)約費用而高效率地學(xué)習(xí)新技能。

2.2三維圖像對系統(tǒng)的控制方法

三維圖像的可視化技術(shù)使人能夠在三維圖形世界中直接對具有形體的信息進行操作，和計算機直接交流，它賦予人們一種對物體進行仿真的并且實時交互的能力。這種技術(shù)把人和機器以一種直覺而自然的方式加以統(tǒng)一，這無疑將極大的提高人們的工作效率。

2.3虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用軟件

該技術(shù)采用多種比較先進的應(yīng)用軟件，如OpenGL,OpenGVS等，但就其應(yīng)用性方面，OpenGL的應(yīng)用范圍廣，實用性更強些。

OpenGL作為一個性能優(yōu)越的圖形應(yīng)用程序設(shè)計界面而適用于廣泛的計算機環(huán)境,從個人計算機到工作站和超級計算機,OpenGL都能實現(xiàn)高性能的三維圖形功能。

3.系統(tǒng)的技術(shù)性能和構(gòu)造

該系統(tǒng)由圖形圖象工作站、頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套與數(shù)據(jù)服、圖形圖象輸入設(shè)備、信息輸出設(shè)備五大部分構(gòu)成。

3.1圖形圖像工作站

3.1.1該工作站在系統(tǒng)中起到信息控制和處理中心的作用。按照頭盔所移動方位可以生成實時圖像，向人們提供相應(yīng)的實時圖形，可以仿真窗外的合成環(huán)境或現(xiàn)實世界的真實環(huán)境。給觀察者生成酷似真實的信息。

3.1.2可進行高精確度的宿主計算。該系統(tǒng)在信息處理時，需要高精確度的宿主計算，使有關(guān)信息得到快速的處理，達(dá)到系統(tǒng)虛擬的實時感。

3.1.3圖形圖象工作站的重要作用之一是生成實時的可視信息。完成這一作用的關(guān)鍵，是工作站每秒鐘能夠描繪足夠的多邊形表面。從計算機模型去產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準(zhǔn)確的模型又有足夠的時間，我們可以產(chǎn)生物體在不同光照條件下相當(dāng)精確的圖像。

3.2頭盔顯示器

頭盔顯示器與計算機相連，可以使人獲得三維立體圖像。顯示器上還裝有三維位置跟蹤器，可以跟蹤頭部的移動，并將六個自由度的移動信號輸入計算機，計算機再根據(jù)頭部位置的變化輸出變動的圖像，這樣就可以像在真實世界中一樣，從不同的角度看到不同的景象。

3.3數(shù)據(jù)手套與數(shù)據(jù)服

在手部三維位置跟蹤設(shè)備中，目前比較先進的是數(shù)據(jù)手套，它不僅具有六個自由度的位置傳感器，能探測整個手的移動，而且在手指關(guān)節(jié)部位設(shè)置有應(yīng)力傳感器，能捕捉到每個手指的相對移動和屈伸。戴上數(shù)據(jù)手套之后，在虛擬環(huán)境中抓住與舉起一個物體，猶如在真實世界中一樣的感覺。

按照同樣的道理，可以制成一套數(shù)據(jù)服，使人體的所有關(guān)節(jié)部位都附著有位置傳感器，甚至觸覺反饋器，使人與虛擬對象接觸和交互作用時產(chǎn)生真實的對接觸物的力感和質(zhì)感。

3.4 圖形圖像輸入設(shè)備

這一輸入設(shè)備，是由多媒體計算機及網(wǎng)卡、高檔PC機、數(shù)碼照相機和掃瞄儀等組成。

4.結(jié)束語

本文闡述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的技術(shù)性能、特點等方面的知識，這是一項具有廣闊開發(fā)前景的前沿技術(shù)，可以廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王惠剛等，《計算機仿真原理及應(yīng)用》（第二版），國防科技大學(xué)出版社，2000年4月

[2] 何江華，《計算機仿真導(dǎo)論》，科學(xué)出版社，2001年3月

作者單位：裝甲兵技術(shù)學(xué)院