虛擬現實技術在機械工程實驗教學中的應用

邸 馗, 于天彪, 陳培媛, 孟麗君

(東北大學 教務處, 遼寧 沈陽 110004)

虛擬現實技術(virtual reality，VR)是指利用計算機生成一種模擬環境，并通過多種專用設備使用戶“投入”到該環境中，實現用戶與該環境直接進行自然交互的技術。VR技術可以使用戶既能直接對虛擬環境中的物體進行考察或者操作，同時也提供視覺、聽覺和觸覺等多種直觀而又自然的實時感知[1-3]。虛擬仿真實驗是采用計算機建模與仿真技術、虛擬現實及可視化技術，模擬整個實驗過程，可使學生在高沉浸感的虛擬環境下感知復雜機械裝備的工作原理、設計過程、加工制造、性能分析、功能演示與故障診斷，以增強學生的學習興趣，提高實驗教學效果[4-8]。

1 虛擬現實系統的特征與主要類型

虛擬現實系統從根本上說是一種高級人機交互接口，它可以同時給予用戶視覺、聽覺和觸覺等各種直觀而又自然的實時感知交互手段。

1.1 主要特性

虛擬現實系統主要有3個基本特性，即沉浸性(immersion)、交互性(interactivity)和想象性(imagination)，即人們熟知的“3I”特性[9-12]。

(1) 沉浸感。用戶可以沉浸于計算機生成的虛擬環境中而有“身臨其境”之感。他所看到的、聽到的、嗅到的、觸摸到的，完全與真實環境中感受到的一樣。沉浸感是VR系統的核心。

(2) 交互性。用戶與虛擬環境中各種對象相互作用的能力。它是人機和諧的關鍵性因素。用戶進入虛擬環境后，通過多種傳感器與多維化信息的環境發生交互作用，用戶可以進行必要的操作。

(3) 想象力。通過用戶沉浸在“真實的”虛擬環境中，與虛擬環境進行了各種交互作用，從定性和定量綜合集成的環境中得到感性和理性的認識，從而可以深化概念，萌發新意，產生認識上的飛躍。

1.2 主要類型

(1) 桌面虛擬現實。利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口。通過各種輸入設備實現與虛擬現實世界的充分交互，這些外部設備包括鼠標、追蹤球、力矩球等。它要求參與者使用輸入設備，通過計算機屏幕觀察360°范圍內的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時參與者缺少完全的沉浸，因為它仍然會受到周圍現實環境的干擾。

(2) 沉浸的虛擬現實。高級虛擬現實系統，完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。包含頭盔式顯示器、其他位置跟蹤器、數據手套、其他手控輸入、聲音等設備，把參與者的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間。常見的沉浸式系統有基于頭盔式顯示器的系統、投影式虛擬現實系統、遠程存在系統。

(3) 增強現實性的虛擬現實。增強現實性的虛擬現實是利用虛擬現實環境來增強參與者對真實環境的感受，也就是增強現實中無法感知或不方便的感受。典型實例，如戰機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數和武器瞄準數據投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數據，從而可集中精力盯著敵人的飛機或導航偏差。

(4) 分布式虛擬現實。分布式虛擬現實系統是多個用戶通過計算機網絡連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經歷。典型的分布式虛擬現實系統如SIMNET系統。SIMNET由坦克仿真器通過網絡連接而成，用于部隊的聯合訓練。通過SIMNET位于德國的仿真器可以和位于美國的仿真器運行在同一個虛擬世界，參與同一場作戰演習。

2 虛擬現實系統的基本構成

大多數虛擬現實系統都有5個部分組成，分別是計算機系統、虛擬現實軟件、虛擬世界、輸入設備和輸出設備。其中計算機系統用于處理各種信息，虛擬現實軟件是虛擬世界構成的基礎和實現憑借，虛擬世界是一個可供用戶交互操作的虛擬環境(人機界面)，而計算機系統將最終通過輸出設備將虛擬世界反饋的信息作用于用戶。而從對信息流處理的角度上看，一個完整的虛擬現實系統由如圖1所示的幾部分組成。

圖1 虛擬現實系統的構成

系統在虛擬環境準備就緒后首先激活跟蹤設備、語音設備以及其他設備監控系統，用戶和外部受到監控的對象將通過這些設備向計算機發出指令。在虛擬環境對這些指令做出相應的響應之后，計算機系統將首先在虛擬環境數據庫做出必要的更新，然后調整當前虛擬環境，并將新的圖像送往顯示設備，同時將虛擬環境反饋給用戶的信息(聲音、觸覺等)通過反饋系統輸出給用戶；而虛擬環境對其他外部物理對象反饋的控制信息將通過監控系統輸出。

3 虛擬仿真實驗教學系統

3.1 系統構成

為了使學生了解和掌握高檔數控機床、全斷面掘進機、航空航天設備、冶金成套設備等大型復雜機械裝備的設計、制造、操作和故障診斷過程，同時解決物理實驗設備昂貴、占用空間大、維護費用高、安全性差等缺點，東北大學較早地開展了復雜機械裝備虛擬仿真實驗的研究與應用，構建了國內先進水平的虛擬仿真實驗教學系統。圖2為虛擬仿真實驗系統的硬件組成示意圖。

圖2 系統硬件組成示意圖

系統選用SGI公司的Onyx4可視化系統作為仿真系統的主體，利用投影機和投影幕墻構建成Power Wall形式的虛擬現實系統；使用同步信號發射器和主動立體眼鏡來實現主動立體顯示功能，以此實現多用戶的視覺沉浸。此外，采用一臺PC進行Onyx4控制臺操作，一臺數據服務器提供數據庫服務，一臺應用服務器負責其他外部設備和輸入輸出控制。

其中Onxy4輸出的視頻信號通過5根BNC連線(每根線上傳輸信號分別對應RGBHV數據)經過視頻分配器分別送往2臺投影機和2臺22寸CRT顯示器；主動立體顯示的同步信號則通過編號為0的顯示通道輸出至紅外同步信號發射器。

負責Onyx4系統控制臺操作的計算機分別同過RS232接口與以太網接口與Onyx4系統連接，其中RS232接口主要用于控制端利用超級終端程序進行遠程登錄和控制。在這種登陸方式下，管理員可以對硬件系統的工作情況進行控制、設置和調整，同時在操作系統運行后也能夠使用大部分shell命令；而以太網連接主要用于控制端向系統主機傳遞一些文件數據，或控制端通過基于以太網的X windows遠程登錄軟件來進行登錄和控制。在這種情況下，除了可以方便快捷地傳遞文件數據之外，還可以利用功能強大的遠程登錄軟件來操縱系統主機。一般情況下，這種軟件登錄后可以獲得主機的窗口界面，通過這個界面管理員幾乎可以使用系統主機的全部功能。

數據服務器和應用服務器分別通過以太網與主機相連，這2個服務器用于提供數據庫服務或其他外部設備的控制。在實際的應用中，這2個服務器將根據具體應用需求作為選項保留或刪除。

3.2 虛擬現實系統的應用

虛擬仿真技術為大型復雜機械裝備的原理演示、功能仿真、故障診斷，復雜精密零件的工藝驗證、復雜綜合控制的模擬分析以及大型復雜機械裝備操作培訓提供了新的方法，彌補了大型復雜機械裝備物理實驗的諸多不足。虛擬仿真實驗教學系統可為本科生開設面向高檔數控機床、全斷面掘進機、航空航天裝備、冶金成套設備等大型復雜機械裝備的虛擬樣機設計與開發、虛擬裝配與功能仿真、虛擬加工與仿真分析、虛擬實驗與虛擬測量、虛擬駕駛與虛擬操作、虛擬工程實踐訓練(數控編程、PLC編程)等虛擬實驗與虛擬實踐訓練課程。虛擬仿真實驗系統和實驗界面分別見圖3和圖4。

圖3 虛擬仿真實驗系統界面

圖4 虛擬仿真實驗界面

4 結束語

實踐表明，虛擬仿真實驗具有生動、實驗效果直觀、安全性好等優點，有利于學生理解和掌握復雜機械結構的原理、制造與裝配工藝、使用與操作，有利于激發學生的學習積極性及創新思維，有利于學生的創新實踐活動。

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