虚拟现实技术在人机工程中的应用要求标准研究

1 引 言

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术是一种综合应用各种技术制造逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中视、听、触觉等各种感知行为的高级人机交互技术，具有沉浸性、交互性和想象性3个基本特征。由于计算机软、硬件条件的飞速发展，以及虚拟现实专用设备价格的下降和性能的提高，虚拟现实技术已经获得了广泛的应用，而且日益普及。

人机工程学是研究系统中人与其他组成部分的交互关系的一门学科，并运用其理论、原理、数据和方法进行设计，以优化系统的工效和人的健康幸福之间的关系。人机工程学通常包括3大要素：人、机、环境。在人机工程的应用中，虚拟现实技术带来的最大改进在于人机交互方式的变化，从而为人机工程的应用提供了新的方式[1,2]。

然而，如何在人机工程学研究和应用中更好地利用虚拟现实技术，模拟人机系统的交互过程，以便对机器系统进行更为可信的分析、设计与评估，是一项重要的研究课题。本文的目的是通过对虚拟现实主要技术的重点研究，归纳总结虚拟现实技术在人机工程应用中需要规范的内容，为虚拟现实技术在人机工程中的有效应用提供指导和依据。

2 虚拟现实技术在人机工程中的应用

虚拟现实技术和人机工程最主要的结合点在于利用虚拟现实技术建立样机和虚拟环境，对设计进行人机性能评价。具体表现在以下几个方面[3，4]：1)工作空间测试与评估；2)环境功效评估；3)运动学、动力学分析；4)舒适性、可操作性等人机性能的评估；5)人机界面设计；6)虚拟设计、虚拟制造、虚拟装配、虚拟维修。

虚拟现实技术在人机工程中的应用框架模型参见图1。

图1 虚拟现实技术在人机工程中的应用框架模型

图1以框架流程图的形式给出了虚拟现实技术在人机工程中应用的方式和过程，对两者各个部分的结合点给出了详细的解释。

3 虚拟人的建模要求

3.1 虚拟人模型的应用

虚拟人模型的应用主要集中在以下几个方面[5]：

1) 人体工作空间分析：包括可视域和可达域分析，空间干涉检查等。例如座舱空间设计。

2) 工作空间人机性能分析：包括工作空间的人的舒适性、可操作性及可识别性分析，用于产品结构的人机合理性验证等。例如座椅的舒适性设计、手柄设计、人机界面功能分配等。

3) 人的运动或活动的模拟：包括对人工作过程的动作仿真、力学分析、过程模拟，人在空间的漫游模拟等。例如人工虚拟装配、人对机器操纵过程模拟、虚拟维修等。

4) 人的属性的建模和仿真：包括对人的心理活动、感知属性、生理特点等进行的建模和仿真。例如分析工作环境对人的心理产生的影响，分析工作条件对人的健康产生的影响。

3.2 模型数据的选取

虚拟人模型数据的选取应满足以下几个方面的要求：

1) 通用的虚拟人数据应采用GB/T 13547—92《工作空间人体尺寸》中的数据；

2) 特定的虚拟人数据的测量应按照GB 3957《人体测量术语》和GB 5703《人体测量方法》的要求进行；

3) 应用专门的人体建模软件建模时，应严格采用人体测量数据进行建模，并对关键尺寸进行校验；

4) 利用仿真软件自带模型或者从图像、视频中提取建模信息时，应对照实际信息进行关键部分的校验；

5) 人体模型数据要求较高的情况下，应采用人体的三维扫描数据；

6) 人体数据比较复杂繁多的场合，应利用适当的数据库系统对人体数据进行科学的管理。

3.3 几何模型的建立

图2 人体关节模型

虚拟人几何模型的建立应满足以下几个方面的要求：

1) 根据虚拟人的建模要求，合理地考虑骨骼模型和皮肤模型；

2) 建模过程应严格按照H-Anim标准进行；

3) 建立骨骼模型时，应采用图2所示的人体关节模型，但可以根据实际需要进行减少和增加；

4) 建立皮肤模型时，应采用三角或矩形网格生成面片的曲面模型，根据实际情况决定细分的程度和方式。

3.4 行为模型的建立

人体的行为模型应采用层次化的人体运动模型(见图3)，建立固定在人体根节点处的固定坐标系和附在各关节点处的运动坐标系，对人的动作进行描述[6]。

图3 层次化的人体运动模型

人的运动学模型应严格遵守H-Anim标准。人的行为模型还应根据实际应用考虑以下特点：

1) 自治性：对环境变化做出反应并依据自身状态和感知到的信息自主做出决策；

2) 个性：具有群体特点和个体特性；

3) 多样的行为效果：能对同一种行为产生不同的效果；

4) 交流功能：虚拟人能够自主地与人交流；

5) 并行行为：虚拟人的多个效应器可以在同一时间完成多个行为，例如：一边走路一边搜索指定目标。

3.5 虚拟人的运动仿真

虚拟人的运动仿真应满足以下要求：

1) 运动仿真方法的选择。涉及到人体尺寸和动作的运动仿真应采用运动学方法，例如可达域、可视域测试等；涉及到人的物体特性的运动仿真应采用动力学方法，如舒适性验证、力学性能分析等；

2) 虚拟人的动画存储应遵照MPEG-4标准；

3) 虚拟人的智商、情感等模型涉及到人类生理学、心理学、解剖学等各学科的综合运用，应参考所在学科领域的相关标准进行建模和仿真。

4 虚拟场景的建模要求

4.1 虚拟场景建模方式的选择

虚拟场景建模方式的选择应满足以下几个方面的要求[7]：

1) 虚拟场景中具有交互功能的物体建模，应优先使用基于图形的建模方式，例如实现功能的产品等；

2) 交互性要求比较低的物体或景物建模，应使用基于图像的建模方式或基于图形、图像混合的建模方式，例如工作区域以外的背景、交互性要求比较低的物体、结构复杂、难于实体建模的不太重要的物体；而当重点研究工作环境对人体的影响，特别是视觉方面的影响时，也可以采用基于图形、图像混合的建模方式；

3) 不宜在VRML环境下直接建模；

4) 在人机工程应用中，应采用比较合理的三维建模软件进行建模，再转化到虚拟环境中。

4.2 三维建模方式的选择

三维建模方式的选择应该考虑以下几个因素：

1) 功能性：主要考虑模型在虚拟场景中的作用。例如：若需要对产品模型进行计算机辅助工程分析(CAE)，则优先选用CAD建模方式；若需要对产品的外观进行逼真的描述，则优先选用3D-MAX等曲面功能比较强的建模方式；

2) 精确性：主要考虑模型对几何精度的要求。例如：在选择CAD建模方式时，在精度要求较高时采用曲面造型，精度要求较低时采用CSG等实体造型方式；

3) 方便性：主要考虑模型修改和转化性能；

4) 通用性：主要考虑对其他方式三维模型的兼容性。

4.3 基于图形的虚拟场景建模

4.3.1模型的建立

建立基于图形的虚拟场景模型应满足以下几个方面的要求：

1) 对规则物体采用三维建模软件建模时，应优先选择多边形法和结构树(CSG)法，这样建立的模型转化到虚拟场景中的数据量较小，还可以增加模型的通用性以及简化的方便性[8]；

2) 不规则物体建模，可以根据应用要求和建模软件的特点采用不同的建模方式，比如NURBS方法、参数化法等；

3) 几何模型按照数据组织方式根据不同的应用情况选用合理的方法，如层次建模法和属主建模法；

4) 建模时要注意模型的层次，层次的划分要结合虚拟环境中运动仿真等功能的需要；

5) 建立的模型要符合人机工程学的原理，例如色彩和光照应遵照GB 50034-2004《建筑照明设计标准》的要求。

4.3.2模型的转化

基于图形的虚拟场景模型的转化应满足以下几个方面的要求：

1) 转化前应先对三维模型进行必要的处理，例如删除不需要的细节、被消隐的部分、分好相应的层次等；

2) 采用合理的转化方式。应采用专门的转化软件或接口，在保证信息完好的情况下，尽可能减小转化后的数据量。最终模型的数据量最好不要超过虚拟现实绘制系统绘制能力的80%；

3) 复杂的场景应尽可能地分批进行转化，有助于转化后模型的修改和编辑；

4) 转化后应进行模型的校验，确保模型信息的完整性和准确性。

4.3.3模型的优化

基于图形的虚拟场景模型的优化应满足以下几个方面的要求：

1) 采用有效的算法对转化后的模型进行多边形优化，在保持原模型可视特征的前提下，减少原始网格的顶点数目；

2) 对于模型表面无法几何表示的细节特征，采用纹理映射的方法进行优化。通过纹理映射，改变表面的颜色、透明度、光线反射率等，还可以增加真实感。对于要求较高的场合，可以进一步采用旋转纹理、多点视图纹理、立体纹理等技术进行处理；

3) 对于细节特征比较复杂而空间距离变化较大的模型，采用细节层次(LOD)技术进行简化。通过空间距离的远近来展现空间造型的各个细节，有利于增加真实感，提高浏览速度；

4) 对于数据量较大的复杂场景，渲染过程中采用BSP技术进行优化；

5) 对于场景中重复出现的模型，采用Instance技术进行优化，减少场景数据量。

4.4 物理模型和其他模型

在条件允许的情况下，采用多种方式对场景的物理模型和其他模型进行建模，以增加场景的逼真性和沉浸感。例如描述火焰、气体、雾等不规则物体的效果，可采用粒子系统进行模拟。

5 虚拟现实系统的绘制要求

5.1 视觉的绘制

5.1.1视觉绘制的延迟

视觉绘制的延迟应满足以下几个要求：

1) 对于不同场景的绘制，视觉绘制系统的时间延迟应控制在可忍受的范围内，视觉绘制时间延迟临界值推荐为100 ms；

2) 绘制系统应采用各种措施降低时间延迟，以达到更好的视觉效果，例如减少信息从输入设备发送给计算机的时间，减少生成计算机图形图像的时间，采用更为先进的绘制技术等；

3) 为了达到良好的视觉效果，绘制系统的帧率不应低于10 帧/s。

5.1.2计算机图形系统的选择

计算机图形系统的选择主要考虑以下几个因素：

1) 应用水平：指在人机工程应用中需要的虚拟现实系统的绘制能力，如最大面片数的要求、时间延迟的要求等[9]；

2) 系统类型：指虚拟现实系统的类型和特点，如计算机等各种设备的性能等；

3) 通用性：指为了交流方便，应选择应用比较广泛的图形系统。

5.1.3视觉绘制的其他要求

视觉绘制还应注意以下几个方面的要求：

1) 视觉绘制系统应根据系统配置和应用特点，选择相应的图形学标准，使用过程中要注意图形学标准的通用性和功能的全面性。一般情况下应采用应用比较广泛的OpenGL标准或Direct 3D标准；

2) 对象在计算机内部的表示要考虑到存储的方便性、通用性、易于优化性等因素，宜采用多边形表示。

5.2 听觉的绘制

5.2.1听觉绘制方式的选择

在人机工程学仿真中，听觉绘制方式的选择首先要考虑所要模拟的对象本身的要求，根据不同的场景要求采用不同的绘制方式。听觉绘制方式的选择应满足以下几个要求：

1) 模拟自然环境的背景声音、人的讲话、各种标志声音等，应采用直接回放录音文件的绘制方式；

2) 模拟仿真部件在不同参数条件下产生的声音效果，应采用合成声音的绘制方式；

3) 模拟场景中的因素对同一种声音声调、大小等属性的影响，应采用现有声音信号进行后处理绘制方式。

5.2.2绘制系统中声音的生成和存储

声音的生成设备要与声音的绘制方式一致。声音的存储方式应考虑绘制方式、通用性、易于编辑性等因素。

5.3 触觉的绘制

虚拟现实体验中模拟的物理接触根据不同的接触类型，选择向人体传递的信息。基本的类型有一点接触、带扭矩的一点接触、运动约束、两点接触(夹)、多点接触(抓握)等。

6 人机交互设备的一般要求

6.1 人机交互的一般要求

在虚拟现实系统中，人机交互应满足以下几个要求：1)使用多个感觉和效应通道的交互；2)三维和直接操纵的交互；3)允许非精确的交互；4)双向性的交互；5)隐含性的交互。

6.2 输入设备的一般要求

基于虚拟现实系统自身的特点，输入设备还要考虑以下因素：

1) 虚拟现实系统中输入设备的选择要充分考虑人的特点(三维交互性、交互的双向性、非精确性等)；

2) 人的动作、语言等信息具有模糊性，应采取有效的输入方式进行判别、量化；

3) 应及时地输入和反馈多种信息，以确保虚拟现实系统的沉浸性；

4) 应确保输入设备在一定的空间和时间范围内进行准确的输入；

5) 输入设备的选择还要考虑抗干扰性、轻便性、兼容性、安全性和成本等逻辑属性。

6.3 输出设备的选择原则

6.3.1视觉显示设备的选择

视觉显示设备的选择应考虑以下3个因素：

1) 沉浸性：沉浸性是选择视觉显示设备的重要依据，一般来说，头盔式的沉浸性比较高，投影式、沉浸式与投影方式和屏幕有关，桌面式的沉浸性较差；

2) 跟踪技术：头盔式需要对眼睛和头部的转动进行精确的跟踪；

3) 视觉表现属性：视觉表现属性是影响虚拟现实体验的一个重要因素，必须基于应用系统的具体要求来考虑这些光学特性。

6.3.2听觉显示设备的选择

听觉显示设备的选择应考虑以下两个因素：

1) 听觉表现属性：例如显示通道的数目、音场、定位、遮蔽、放大等；

2) 逻辑属性：例如用户的活动性、环境需求、与跟踪方法的接口、可移动性、噪音污染、成本、安全性等。

6.3.3触觉显示设备的选择

触觉显示设备的选择应考虑到以下两个因素：

1) 触觉表现属性：例如肌肉运动知觉暗示、触觉暗示、自由度、形式、逼真度、空间分辨率、时间分辨率、容忍的延迟、尺寸等；

2) 逻辑属性：例如用户的活动性、与跟踪方法的接口、环境需求、与其他感觉显示的交互、可移动性、阻碍、安全性、成本。

参考文献:

[1] 姜国华,陈善广,周前祥,等.虚拟现实技术及其在工效学研究中的应用[J].计算机系统应用，2001,21(8)：38-41.

[2] 刘伟,袁修干.人—机—环境系统虚拟现实技术的应用及发展趋势[J].人类工效学，2000,6(2)：43-45.

[3] 袁修干,庄达民,张兴娟.人机工程计算机仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[4] MALEK K,YEH H J. Analytical boundary of the workspace for general three degree-of-freedom mechaninsms [J].International Journal of Robotics Research,1997,16(2):198-213.

[5] 周翔波,郑飞,曾洪梅,曾艳丽.面向人机工程的三维人体尺度空间模型[J].计算机仿真，2004，21(3)：61-63.

[6] 涂晓斌，蒋先刚，刘二根.虚拟人的运动建模与仿真[J].华东交通大学学报，2006(4)：36-39.

[7] 陈丽娜，马玉杰.虚拟现实中图像建模技术的发展[J].时代经贸，2006(08Z)：18-20.

[8] 李自力.虚拟现实中基于图形与图像的混合建模技术[J].中国图象图形学报，2001,6(1)：96-101.

[9] WHITEMAN L E,JORGENSEN M,HATHIYARI K. Donmalzhn virtual reality: its usefulness for ergonomic analysis[C].Proceedings of the 2004 Winter Simulation Conference，2003.