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《武汉理工大学》 2007年
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起重机模拟培训系统若干关键技术研究

魏国前  
【摘要】: 虚拟现实是一种先进的、自然的、直接的人机交互技术,它能够同时提供诸如视觉、听觉、触觉等多种感知,允许用户与计算机中的模型进行实时交互,并使他们获得与真实世界相似的体验。随着计算机技术的迅猛发展,虚拟现实技术的研究越来越深入,其应用领域也越来越广泛。 模拟培训系统是一种集成了传感器技术、计算机接口技术、三维实时动画技术、人工智能技术、数据通信技术、网络技术、多媒体技术等先进技术于一体的仿真系统,它不仅具有节能、安全、经济等优点,而且培训不受时间、气候、场地的限制。借助虚拟现实技术的3I特性——沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和构想(Imagination),受训者可以沉浸在虚拟操作环境当中。根据虚拟环境提供的视觉、听觉和触觉反馈,直接感知操作对象的结构和工作原理,构想操作动作要领,体验在现实世界中经常发生或者极少发生的各类生产工况,并取得令人满意的培训效果。 起重机是一类广泛应用于冶金、制造、港口、水电、建筑等行业的物流运输设备,同时,起重机也属于特种设备的范畴,起重机司机必须经过严格的安全技术理论学习和安全技术操作实践,考核合格之后方能获证上岗。目前起重机司机受训的实践操作与考核环节大部分是在租用工厂的起重机上进行,这种方式虽然能够使受训者获得直接的受训体验,但也存在较大的安全隐患,同时具有受训资源受限、能耗浪费大、考核评估缺乏客观性、培训效果不尽如人意等缺点,这给当前起重机司机的培养工作带来了极大的挑战。研究并开发性能卓越、功能强大的起重机模拟培训系统并将其用于起重机司机的培训工作,是迎接这一挑战的最有效方法,本文即是在这一背景下选题并展开研究的。 本文针对起重机司机培训的特殊要求,分析了起重机模拟培训系统的特点与组成,建立了融合技能训练和理论知识教学于一体的培训实施框架,并对其中的建模理论与方法、纹理特效与性能优化技术、可运动的虚拟人体建模及其自由变形方法、适于起重机受训环境的视景显示方案、面向操控的人机交互技术等内容进行了系统、深入的研究。论文选题具有重要的理论意义与实用价值,取得的成果和创新点主要有; 1、提出了一种新的模拟培训的实旋框架,指出模拟培训系统不仅应该具有模拟操作功能,还要具有理论知识教学功能;针对起重机司机培训的要求,给出了一种系统组成结构,并采用多层次的视景模型以适应不同的培训目的。 2、研究了基于景物几何的起重机虚拟场景的建模方法。根据起重机工作场景不同组成部分的结构特点采取了有针对性的建模策略,建立了包含大车、小车和取物装置等主要运动构件的层次模型;基于模板文件实现了可参数驱动的箱形梁虚拟建模,解决了系列化箱形结构的快速建模问题;基于面向对象技术设计了若干典型型材的自定义原型节点,可以实现快捷方便的型材虚拟建模。 3、研究了纹理特效与性能优化技术。采用具有透明度信息的纹理图像,实现了基于简单造型节点和纹理映射技术的桁架结构建模;基于多重纹理的光照技术,实现了箱形梁内部场景的移动光照效果;从文件的优化、模型的优化和纹理的优化三个方面出发,研究了VRML场景的优化处理技术;采用Bsp树对场景模型进行组织和管理,有效地控制了三角形面片的渲染数量。 4、研究了基于骨架的虚拟人体建模方法,结合人体关节的国际标准H-Anim及其中的四种关节层次,利用插补算法实现了关节的运动控制,利用FFD技术实现了人体腰部的弯曲变形。 5、研究了视觉和操纵两方面的若干人机交互技术。分析了目前起重机模拟培训常用的几种视景显示方案,提出了一种基于增强现实的显示概念,并对其中若干问题的实现方法进行了探讨;研究了基于操纵的人机交互技术,通过时间或造型位置与起重机运动参数之间建立的联系,实现了两种典型的虚拟控制器;提出了一种基于虚拟键盘映射技术的物理控制器解决方案,设计了一个小巧、灵活的控制盒原型,可以方便地操作虚拟起重机并实现有关运动。 本文的研究没有也不可能包含起重机模拟培训系统中的所有问题,但希望以本文的研究为基础,对相关理论和方法的研究能够得到延续和发展,起重机模拟培训系统也能够尽快得以实用。
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