人機工程中虛擬現實系統設計通用要求標準研究

李 鵬 李媛姍

（中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

虛擬現實技術是在眾多相關技術如計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、傳感器技術、人工智能的基礎上發展起來的。目前虛擬現實技術已經獲得了廣泛的應用，而且日益普及。然而，如何在人機工程學研究和應用中更好地利用虛擬現實技術，模擬人機系統的交互過程，以便對機器系統進行更為可信的分析、設計與評估，還需要開展相應的技術應用研究，制定相應的標準或規范來指導虛擬現實技術在人機工程中應用工作的開展。

1 虛擬現實技術與人機工程的結合與應用

虛擬現實技術是一種綜合應用各種技術制造逼真的人工模擬環境，并能有效地模擬人在自然環境中視、聽、觸覺等各種感知行為的高級人機交互技術。人機工程學是研究系統中人與其他組成部分的交互關系的一門學科，并運用其理論、原理、數據和方法進行設計，以優化系統的工效和人的健康幸福之間的關系。虛擬現實技術在人機工程中的應用，是為了解決某些產品設計、制造、運行等過程中的人機工程問題，構建虛擬現實系統，建立虛擬的場景，利用輸入輸出接口進行人機交互，從而在虛擬的環境中模擬產品的某些過程，解決人機功能評價、性能驗證等問題。一般來說，人機工程中虛擬現實系統包括人的虛擬化（即虛擬人）、虛擬環境的構建、輸入輸出設備、虛擬現實的繪制等4個方面。虛擬現實技術和人機工程的結合應用，具體表現在以下幾個方面：

設計階段：應用虛擬現實技術對人機工程設計中的產品設計和環境設計等進行仿真和評估。主要體現在工作空間測試與評估、布局設計的要求、人機界面設計、環境工效評估等方面。

制造階段：應用虛擬現實技術對產品零件的加工和裝配過程進行模擬和分析，對加工工藝和裝配過程的人機工程問題進行評估和改進。如通過加工過程的模擬，對工裝的人機因素進行評估等。

使用、維修、報廢等階段：利用虛擬現實技術對產品的運行、使用、維修、報廢等各生命周期階段的狀況進行模擬，提高產品整個生命周期的人機性能。主要體現在運動學/動力學分析、碰撞分析、虛擬培訓、虛擬維修等方面。

2 人機工程及虛擬現實技術的標準化發展現狀和趨勢

2.1 人機工程的標準化發展現狀和趨勢

國際標準化組織（ISO）中的人類工效學標準化技術委員會TC159在其專業領域內開展了卓有成效的工作，制定了大量的國際標準，截至目前共78項。近年標準制定的重點主要集中在SC4中的WG5（軟件工效學與人機對話）和WG6（交互系統中以人為中心的設計過程）。歐盟標準化委員會（CEN）成立了人類工效學標準化技術委員會（TC122），并根據技術發展的趨勢不斷調整其工作組（WG）。近年來更多的精力放在了WG5人機交互的標準制修訂上。美國國防部的人機工程技術咨詢組（DoD HFE TAG）將維持與提高人員績效、更新人員績效數據庫及分析工具、系統模型中融入人員績效、將人機工程納入國防部政策及標準中等作為其4大亟待突破的領域。全國人類工效學標準化技術委員會（TC7）主要從事人類工效學領域的術語、方法學以及人因素數據等標準化工作，與ISO/TC159 相對應開展相關標準化研究工作，協調與ISO其他技術委員會的工作，目前共制定國家標準50項，而大多是直接等同采用的ISO標準。軍用標準化技術委員會“人–機–環境系統工程標準化技術委員會”，大量引進和轉化了先進、科學的國際標準和國外先進標準，并根據發展需要，制定了一批符合我國實際需求的標準，對國防科技工業標準化和整個國防建設的發展起到了積極的推動作用。

隨著人機工程理論技術與應用的不斷深入發展，標準化工作將取得更大的成果。人機工程標準化的發展趨勢主要表現為逐步建立科學合理、健全完善的標準體系，圍繞著新技術對人機工程的舊有條款進行更新、整合，針對新的應用技術和領域制定新的標準。

2.2 虛擬現實技術的標準化發展現狀和趨勢

目前國際標準化組織還沒有成立對虛擬現實技術標準進行研究和制定的專門機構。主要的標準局限于國際虛擬現實技術協會制定的建模語言VRML等方面，另外可以借鑒和參考的就是關于多媒體技術、計算機技術等方面的標準。虛擬現實的一些方面如觸覺、感知等技術還不具備制定通用標準的基礎和條件。國內虛擬現實技術的應用才剛開始，目前還沒有開展相應的標準化工作。

2.3 國防科技工業企業在虛擬現實和人機工程方面的標準化需求

2007年8月21日～9月30日，中航工業綜合技術研究所面向國防科技工業企業采用問卷調查的方式開展了虛擬現實技術在人機工程中的應用情況調研工作。從調研結果來看，在國防科技工業企業范圍內，虛擬現實技術在人機工程中的應用基本上都處于起步階段，大部分企業主要利用虛擬現實技術，繪制數字模型，對產品的設計、裝配、工作過程進行模擬和演示，也有一些單位開始利用虛擬人模型，對人的可達域、可視域等進行評估。另外有一些單位，如航天科工集團第三總體設計部、船舶708所，成都飛機工業公司等，使用數據手套、跟蹤器、三維鼠標等設備對人的動作進行模擬，用來評估產品的人機性能。

調查結果顯示，接受調查的大部分單位都希望對在人機工程中虛擬現實系統設計進行規范，許多單位提出了相應的標準化建議，如虛擬現實系統的模型建立和轉化技術、虛擬人的仿真效果、繪制系統的接口和文件存儲方式、輸入輸出設備的選擇和評價等。

3 人機工程中虛擬現實系統設計的一般要求

虛擬現實系統的設計應選擇合理的設計順序和方案，多通道虛擬現實系統設計步驟包括任務分析、確定系統類型和參數、選擇硬件配置、搭建硬件平臺、硬件調試、軟（硬）件幾何校正、區域融合（亮度、色度校正）、其他設備調試、工程應用等9個環節。虛擬現實系統應該注意規范使用、安全使用、日常維護等問題。虛擬現實系統的設備的檢查和維修應有專業人員進行，并且維修過程中應遵守GB/T 9414《設備維修性導則》等標準。

4 人機工程中虛擬現實系統設計的詳細要求

4.1 虛擬人的建模要求

通用的虛擬人數據應采用GB/T 13547—1992《工作空間人體尺寸》中的數據；特定的虛擬人數據的測量應按照GB 3975–1983《人體測量術語》和GB 5703–1985《人體測量方法》的要求進行；應用專門的人體建模軟件建模時，應嚴格采用人體測量數據進行建模，并對關鍵尺寸進行校驗；利用仿真軟件自帶模型或者從圖像、視頻中提取建模信息時，應對照實際信息進行關鍵部分的校驗；人體模型數據要求較高的情況下，應采用人體的三維掃描數據；人體數據比較復雜繁多的場合，應利用適當的數據庫系統對人體數據進行科學的管理。

根據虛擬人的建模要求，合理地考慮骨骼模型和皮膚模型；建模過程應嚴格按照H–Anim標準進行。人體的行為模型應采用層次化的人體運動模型，建立固定在人體根節點處的固定坐標系和附在各關節點處的運動坐標系，對人的動作進行描述。人的運動學模型應嚴格遵守H–Anim標準。虛擬人的動畫存儲應遵照MPEG－4標準。

4.2 虛擬場景的建模要求

虛擬場景中具有交互功能的物體建模，應優先使用基于圖形的建模方式；交互性要求比較低的物體或景物建模，應使用基于圖像的建模方式或基于圖形、圖像混合的建模方式；而當重點研究工作環境對人體的影響，特別是視覺方面的影響時，也可以采用基于圖形、圖像混合的建模方式；不宜在VRML環境下直接建模；在人機工程應用中，應采用比較合理的三維建模軟件進行建模，再轉化到虛擬環境中。

4.3 虛擬現實系統的繪制要求

對于不同場景的繪制，視覺繪制系統的時間延遲應控制在可忍受的范圍內，視覺繪制時間延遲臨界值推薦為100 ms，繪制系統的幀率不應低于10幀/s。視覺繪制系統應根據系統配置和應用特點，選擇相應的圖形學標準，使用過程中要注意圖形學標準的通用性和功能的全面性。

聽覺繪制方式的選擇首先要考慮所要模擬的對象本身的要求，根據不同的場景要求采用不同的繪制方式。聲音的生成設備要與聲音的繪制方式一致。聲音的存儲方式應考慮繪制方式、通用性、易于編輯性等因素。

觸覺的繪制應滿足延遲性和安全性的要求。

4.4 虛擬現實輸入輸出設備的要求

虛擬現實輸入設備應符合ISO 9241–400：2007《人機交互作用的人類工效學.第400部分：物量投入設備的原理和要求》的要求。基于虛擬現實系統自身的特點，輸入設備的選擇要充分考慮人的特點；應及時地輸入和反饋多種信息，以確保虛擬現實系統的沉浸性；應確保輸入設備在一定的空間和時間范圍內進行準確的輸入；還要考慮抗干擾性、輕便性、兼容性、安全性和成本等邏輯屬性。

虛擬現實輸出設備主要包括視覺顯示設備、聽覺顯示設備和觸覺顯示設備。視覺顯示設備的選擇應考慮沉浸性、跟蹤技術和視覺表現屬性3個因素。聽覺顯示設備和觸覺顯示設備的選擇應考慮表現屬性和邏輯屬性兩個因素。

5 意見和建議

隨著人機工程學和虛擬現實技術的迅速發展，兩者的結合應用越來越密切，虛擬現實技術為人機工程的應用提供了更廣泛而有效的技術支持。從兩者的發展趨勢和調查研究的結果來看，人機工程中虛擬現實系統的應用已經成為工程應用領域的一種新的發展方向，同時，在實際應用過程中，人機工程中虛擬現實系統設計的標準化需求也越來越迫切。結合本項目的研究，建議首先盡快開展“人機工程中虛擬現實系統設計通用要求”標準的編制工作，其次研究編制人機工程中虛擬現實系統設計的系列標準，形成包括通用要求、虛擬人建模要求、虛擬場景建模要求、虛擬現實系統繪制要求、虛擬現實系統輸入輸出設備要求等幾部分。最后依據人機工程中虛擬現實系統應用的具體工程背景，從工程應用的角度開展特定應用領域的標準化研究工作。

[1]姜國華，陳善廣，周前祥，王春慧，張宜靜.虛擬現實技術及其在工效學研究中的應用[J]. 應用技術，2001.8.

[2]周前祥，姜世忠，姜國華.虛擬現實技術的研究現狀與進展[J].計算機仿真，2003.7.

[3]陳逸凡.面向人機工程仿真的虛擬人體控制技術[J].浙江大學碩士學位論文，2006.3.

[4]涂曉斌，蔣先剛，劉二根.虛擬人的運動建模與仿真[J].華東交通大學學報，2006.8.

[5]余德友.虛擬現實系統中的時間延遲問題研究[J].系統仿真學報，2006.8.