原创 虚拟现实技术在航天仿真研究中应用的

虚拟现实 ( Virtual Reality,简称VR) 是一种可以创建和体验虚拟世界 (Virtual World) 的计算机系统。其中虚拟世界为全体虚拟环境（Virtual Environment)或给定仿真对象的全体，它是由计算机产生，通过视、听、 触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真。因此，一个身临其境的虚拟现实系统是由包括计算机图形学、图像处理与模式识别、多传感器、语音处理与音像以及网络等技术所构成的大型综合集成环境。由于它是一门综合性极强的信息技术，目前已在军事、医学、设计和娱乐等领域得到了广泛应用。例如，波音公司曾利用VR技术进行虚拟座舱的布局，实现了完美的实际座舱布局设计。
　　众所周知，航天飞行是一项耗资巨大、变量参数很多、非常复杂的系统工程，保证其安全、可靠是航天器设计时必须考虑的重要问题。因此，可利用仿真技术经济、安全及可重复性等特点，进行飞行任务或操作的模拟，以代替某些费时、费力、费钱的真实试验或者真实试验无法开展的场合，从而获得提高航天员工作效率或航天器系统可靠性等的设计对策。这样，航天仿真研究就成为确保航天器安全、可靠的有效技术途径。然而，大多数现有的仿真系统采用传统的仿真理论，即针对所研究的对象设计模型，然后根据实验方案在模型上进行各种实验，分析实验结果。其中设计的系统模型通常是由相互联系的数据结构集合和过程集合构成，具有一体化的信息和控制，因此很难对数据库进行修改。此外，实验结果的分析与处理也十分繁冗，同时，也不能直接对其作出解释。因而，随着仿真技术向可视化方向的发展，将VR技术与仿真理论相结合，据此进行航天仿真的研究，不失为一个行之有效的方法，本文对其展开讨论，以期有所裨益。

　　一、意　义

　　虚拟现实技术的核心是通过计算机产生一种如同“身临其境”的具有动态、声像功能的三维空间环境，而且使操作者能够进入该环境，直接观测和参与该环境中事物的变化与相互作用。因此，将虚拟现实技术应用于航天仿真研究，不但可以使得该领域内的计算机仿真方法得到完善与发展，而且也将大大提高设计与试验的逼真性、实效性和经济性，具体表现在如下几个方面：
　　1.人-机界面具有三维立体感，人融于系统，人机浑然一体。 以座舱仪表布局为例，原则上应把最重要且经常查看的仪表放在仪表板中心区域，次重要的仪表放在中心区域以外的地方。这样能减少航天员的眼动次数，降低负荷，同时也让其注意力落在重要仪表上。但究竟哪块仪表放在哪个精确的位置，以及相对距离是否合适，只有通过实验确定。因此利用VR 作为工具设计出相应具有立体感、 逼真性高的排列组合方案，再逐个进行试验，使被试处于其中，仿佛置身于真实的载人航天器座舱仪表板面前，就能达到理想客观的实验效果。
　　2.继承了现有计算机仿真技术的优点，具有高度的灵活性。 因为它仅需通过修改软件中视景图像有关参数的设置，就可模拟现实世界中物理参数的改变，这样，随着任务的变化，已有的软件再经修改即可满足新任务的要求，所以十分灵活、方便。
　　3.突破环境限制。现有航天仿真的计算机系统体现不了空间失重环境， 而建立虚拟现实系统，通过虚拟的景象和声响就可以使被试处于太空飞行中实际的载人航天器座舱中，据此展开的相应试验研究具有实际意义。
　　4.节省研究经费。改用真实的航天器进行相应的试验研究是不可能实现的， 因为耗资巨大，经费条件不允许。而采用虚拟现实技术，由于其研制周期较短，设计修改和改型仅通过软件修改实现，可重复使用，设备损耗低，这样可大大节省经费投入。

美国航宇局各中心当前主要VR研究项目

单位名称	研究项目
艾姆斯研究中心	虚拟/远程目标捕获作业中的头部随动滚转补偿； 虚拟环境中人的性能；虚拟环境中舱外活动自救； 遥控机器人计划与操作界面
哥达德空间飞行中心	VR在地球和空间科学中的应用
约翰逊航天中心	利用人工合成的工作环境进行工作负荷的评定； 舱外活动卫星捕获训练；空间站Cupola训练； 交会对接人控虚拟训练器
马歇尔空间飞行中心	宏观工效学与可伸缩的用户人体测量学； 微观工效学虚拟及Fomecor模型； 微重 力运动与工效学

　　长时间、远距离和多乘员的载人空间飞行将是21世纪航天技术发展的必然趋势，为了保证有良好的人（航天员）-机（载人航天器显示、控制系统）界面以提高航天员-载人航天器-空间环境这个大系统的可靠性和安全性，开展基于虚拟现实技术的航天仿真技术的研究，不但可以填补我国在此领域内的研究空白，而且也将为我国中、长期空间飞行的载人航天器（如空间站和空间实验室）型号任务的实施创造有利条件。

　　二、研究现状

　　1965年，美国麻省理工学院的科学家设计了一种头盔显示器，通过传感器和计算机仿真环境的相互作用，可以感觉到自己在几何图形中的移动，产生身临其境的感受，由此诞生了一种新的仿真手段虚拟现实技术。但由于其研制的头盔显示器性能较差，价格昂贵，很长时间内该项技术得不到应用。随着计算机图形学的发展，80年代中期，美国艾姆斯航天研究中心利用流行的液晶显示电视和其它设备开始研究低成本的虚拟现实系统，这对于虚拟现实技术的软、硬件研制发展推动很大。到了90年代，该项技术受到广泛关注并向实用迈进。例如美国马歇尔空间飞行中心研制载人航天器的VR座舱，指导座舱布局设计并训练航天员熟悉航天器的舱内布局、界面和位置关系，演练飞行程序。目前，美国各大航天中心已广泛地应用VR技术开展相应领域内的研究工作（如表所示）。在VR技术传入我国后，除几所院校建立一些初步的VR系统模型外，尚无在航天仿真领域展开此项技术的应用研究。
　　一般而言，虚拟现实系统具有两大特点：可以从数据空间向外观察和被试可以沉浸到数据空间中。它是通过对研究对象的模型进行计算机仿真，由计算机结果去控制虚拟世界，并显示给被试，最终实现它们之间的交互作用。这样，将被试投入到虚拟环境中来真实地注视数据以进行交换，与现有的航天仿真方法相比有质的提高。
　　基于上述过程，一个完整的虚拟现实航天仿真系统由下面三部分构成。
　　1.虚拟环境产生器一个能产生三维世界的软、硬件环境是VR 系统的核心部件。它的主要功能是接收被试相关的运动信息（如头部、眼、手等），分路/ 分时生成左、右眼视图，并融合成三维立体图像，同时进行三维声音合成和发出触觉、压力等反馈信号。
　　2.输入输出设备其目的是使被试能通过视觉、 听觉和触觉等方式与虚拟环境实现信息的交互作用。主要包括头盔显示器、操纵杆和数据手套等，它们是被试与虚拟环境建立联系的关键。
　　3.数据接口其作用是将虚拟环境产生器、 输入输出设备以及被试等有机连接成一体，这不仅包括硬件协配问题，也包括软、硬件联调以及人机界面等技术内容。

　　三、应用趋势

　　纵观国外主要航天大国的研究，归纳起来，虚拟现实技术在航天仿真研究中应用的发展趋势是：
　　1.航天员训练器利用虚拟训练系统对航天员进行失重心理训练， 使其建立失重环境下空间方位感。其次，通过构造航天器虚拟座舱模型，训练航天员熟悉舱内布局、界面和位置关系，演练飞行程序和操作技能等。还有，在航天器某些关键设备在轨运行期间发生故障时，为使航天员能正确进行在轨修理，可以通过虚拟现实技术，在地面或空间站对其进行修理培训。例如，1993年，美国约翰逊航天中心启用了一套虚拟现实系统来训练航天员熟悉太空环境，为修复哈勃望远镜作准备。航天员通过操作虚拟设备，大大提高了操作水平。
 　　2.航天工效学作为一种新型的人机界面，利用VR 系统可以更好地研究人与航天器之间的接口关系与功能分配，使舱内结构和布局更适合人的特性。此外，还可进行操作飞行程序和人机功能分配等合理性评价。
　　3.交会对接人工控制虚拟仿真技术航天器的空间交会对接是发展载人航天事业的一项关键技术。其控制方式分为自动和人工控制两种，根据国外经验，人工控制在交会对接的最终逼近与对接过程中发挥非常重要的作用。目前现有的人工控制交会对接仿真系统是由计算机系统（包括数学模型）、运动模拟器、座舱（包括控制操作台）、视景系统、操作负载系统等五部分组成，其设备复杂、投资巨大。若采用虚拟现实技术，整个系统由计算机仿真、头盔显示器和数据手套三部分组成。即将交会对接动力学模型存入计算机系统，通过计算机仿真，实时地解出这两个航天器间的相对距离和姿态角参量，通过计算机生成图像，在头盔显示器里实时地显示两个航天器虚拟环境，此时航天员就像真正处在飞行空间进行交会对接操作一样。因而，这样建立的系统设备简单、投资少。另外，若需考虑空间环境因素（如失重、加速度等），可以把虚拟交会对接仿真器安置在离心机上或模拟失重的水池里，直接在航天员身上产生失重或加速度效应。这种具有空间环境效应的虚拟仿真器是现有仿真系统所没有的。因为采用通常技术的仿真器设备多、重量和体积大，一般是不可能实现空间环境效应的。
　　4.航天环境控制与生命保障工程设计在航天服和环境生保系统的设计与研制中，可利用VR技术进行原理设计、逻辑验证及模型的仿真。设计者通过与设计的虚拟交互，不仅可及时观察到所设计部件的整体结构与外形，而且还能够及时改进设计中的原理或功能性缺陷，从而提高设计与研制效率。
　　5.智能化的虚拟系统利用人工智能技术使计算机通过编程模仿人的思维过程，将与研究对象相关的专家知识纳入知识库，并根据这些知识进行推理，因而能解释用户的请求，确定必要的输入数据，修正或选择一个合适的模型进行实验，这样具有更强的仿真能力。
　　6.交互方式的进一步发展创建虚拟现实工具包和模拟管理器， 让被试可以打开舱门、用手操纵开关等。而且还带有声音识别合成功能，能发出相应动作的声音，这样能使被试更加沉浸于虚拟世界中，提高仿真试验效果。

　　四、关键技术

　　根据上述应用前景，我们认为，建立一个完善实用的航天仿真虚拟现实系统，需要在以下四个方面取得突破：
　　1.系统硬件如前所述，VR 技术的一个重要特点是通过仿真为被试提供一个虚构的但能反映对象变化的环境，这需要大量的数据处理。一般来说，人脑检测延迟的阈值约10ｍｓ，所以VR系统要求的延迟应低于10ｍｓ。因为延迟越长，系统越不逼真，延迟过长甚至产生负效应（如运动病）。另外，使用多边形越多，视景效果越真实，但是增加多边形，会使其延迟时间拉长。这样，视景生成对计算机硬件的速度要求更高。从目前技术看，要实现低于10ｍｓ的延时，处理器速度需达到90ＭＩｐｓ（每秒百万条指令）。达到这一性能甚至更高一些是可能的，但成本昂贵。此外，为了得到高质量的图像，头盔显示器必须有50～100万个像素，因此，应着力研究分辨率高、体积小的显示器，以满足系统需要。
　　2.环境生成工具构造虚拟现实环境要通过环境生成工具来实现。 计算机图像处理中智能性图形特征分析与推理及图形模块相互作用和处理，是虚拟现实技术的一个首要环节。目前这种环境生成工具专用性很强，尚不具有通用性。
　　3.三维图像处理技术虚拟系统的视景环境由计算机通过三维图像处理用立体图像方式表现出来，同时根据研究要求和约束条件，完成实验所用的三维显示界面。它是根据数学和视觉原理用小多边形构造出来的。据估计，建立载人航天器和它的对接机构形状、再入状态与着陆场等逼真的虚拟环境，需要的图像生成速度为8000万个多边形/秒。这就要有专门的数学模型和仿真软件， 而这正是三维图像处理的主要内容。
　　4.系统性能评价建立的航天仿真VR系统是否实用， 其中一个重要的评价指标是逼真度（即与所研究对象的吻合程度）。现有的评价方法包括两个方面：一是对系统进行测试，将结果与所研究对象的实际参数或数据进行比较；二是对仿真模型进行主观定性评价。对于VR系统，目前尚无有效手段客观评价其逼真度，多是依据主观定性评价。因此，发展客观检测方法进行评价也是亟待解决的重要问题。

　　五、几点看法

　　1.虚拟现实技术与现有仿真的区别在于， 被试不再是坐在现实世界中通过人机界面去观察分析研究对象的参数，而是沉浸到由计算机创造的一种虚拟世界之中，在这里面如同真实世界一样与周围的虚拟环境事物进行交互作用。因此，针对航天仿真技术的特点，建立虚拟系统，不但设备相对简单、投资少，而且可以真实地模拟空间效应，进而可作训练器，所以它是今后研究中值得推广和应用的技术。
　　2.从整体水平看，国内在VR研究方面刚刚起步，与国外相比，存在很大差距。为此，我们应充分跟踪美国航宇局和欧空局在载人航天仿真研究中的VR动态，在可行的基础上建立一套虚拟现实仿真系统。另外，在设计视景软件时，应与国际仿真软件的发展趋势接轨。
　　3.ＶＲ系统毕竟是一种虚拟化的事物,不同于真实世界。因此,如何平衡被试的心理负荷,避免操作失误以及焦虑、紧张等状态，让其将VR 技术真正作为一项实用的研究工具，提高工作效率，摆脱不必要的心理负担，这也是航天仿真虚拟现实技术应用中必不可少的一门课题。
　　4.建立航天仿真用虚拟现实系统， 主要的硬件如图像生成计算机和头盔显示器等，由于技术发展速度很快，估计用不了几年时间它们的性能就难以满足研究要求了。为此我们应重点研究人-虚拟世界之间高速交互作用等问题。