利用计算机技术实现设备维修的可行性研究

孙世鹏　毕卫红　张巧玲

摘 要：本文介绍了某设备维修虚拟现实系统的工作原理、技术特点、各种功能以及应用前景。阐述了虚拟现实技术在维修领域的具体应用和对可应用性的技术、设备等性能进行分析。并阐述虚拟现实技术在将来有着举足轻重的作用。

关键词：虚拟现实技术 三维技术

1.虚拟现实技术

1.1技术概述

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验系统。

1.2基本特征及功能

虚拟现实是计算机与用户之间的一种更为理想化的人-机界面形式。通常用户头戴一个头盔（用来显示立体图象的头式显示器），手持传感手套，仿佛置身于一个幻觉世界中，在虚拟环境中漫游，并允许操作其中的“物体”。与传统计算机相比，虚拟现实系统具有三个重要特征：临境性、交互性、想象性。虚拟现实技术潜在的应用范围很广。

1.3 系统组成

虚拟现实技术生成系统是一个人和机器组成的闭环系统。其中人是虚拟环境的用户、即为虚拟环境的接受者与作用者，他用自身的视觉、听觉、嗅觉、触觉与动作行为去作用于虚拟环境及其中的虚拟对象。机器部分主要是生成与变换虚拟环境景象的超高速处理以及人与计算机输入输出信息的接口设备。它包括头盔、显示器、数据手套和现实引擎等几个主要部分，同时还有图形图象、传感器、软件、多媒体计算机、录像设备、工作台、环境模拟系统、音响设备、投影仪等共同作用而形成的一个完善系统。

1.4基本原理

该系统的基本原理是：当你打开计算机虚拟现实应用程序系统，由图形图象工作站存储和提供训练所需要的信息，此时头盔视听系统中就出现虚拟的真实环境，随着你头脑中的想象及对系统的操作，虚拟的真实环境中将全出现你预想达到的效果。你在这一环境中，运用虚拟的真实系统和部组件。

1.5主要特点

1.5.1标准的工作流程

由于该系统向人们提供的虚拟的设备器材和维修工具是按照产品图纸制作的真实三维图像；向人们提供的维修技术条件，来自于总部下发的维修技术文件；维修方法是运用统筹法制定的较为优化维修。通过以上保证了培训的质量。

1.5.2短时高效的工作效果

该系统即可使受训人员学习部组件的构造，又可以进行实习操作训练，由于图、文、数据、技术指导等都是信息化控制，具有实时性和快速性。与传统的培训方法相比，大大缩短了技术咨询，非实习操作的部件分解组合等时间，极大的缩短了培训周期，提高培训效果。

1.5.3人机的智能结合

虽然计算机具有极强的信息处理功能，但也不能具备足够的与人类相比的智能，也无法完全取代人工。所以在很多计算机应用的场合下，特别是对信息的理解和决策需要人的参与，也就是说我们需要利用人、机交互来弥补计算机智能的不足。

1.5.4不受任何具体设备的制约

虚拟现实技术是通过计算机对真实的设备器材和维修工具进行合成显示，并不通过实件维修，也不受任何具体设备的制约。它所仿真的不仅仅是设备部件，而同时能表现与真实环境一样的设备部件维修场景，从这一点上也能看出，虚拟现实技术就是一个pc机中的真实环境。

1.6应用范围及开发前景

实践证明，这样的系统拥有广泛的市场前景，它可以应用在医疗旅游、教育、娱乐等众多的社会领域中。具有使用安全、方便简单、效果真实、成本低廉、不受外界环境干扰和使人印象深刻等众多特点。

2.三维图形程序设计

2.1程序概述

三维图形世界使我们可以更加直观、形象地认识和了解我们还未完全了解的客观世界；三维图形使我们可以进入人类还没有，甚至无法进入的地方；三维图形的许多应用如模拟训练使我们可以极大的节约费用而高效率地学习新技能。

2.2三维图像对系统的控制方法

三维图像的可视化技术使人能够在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行操作，和计算机直接交流，它赋予人们一种对物体进行仿真的并且实时交互的能力。这种技术把人和机器以一种直觉而自然的方式加以统一，这无疑将极大的提高人们的工作效率。

2.3虚拟现实的应用软件

该技术采用多种比较先进的应用软件，如OpenGL,OpenGVS等，但就其应用性方面，OpenGL的应用范围广，实用性更强些。

OpenGL作为一个性能优越的图形应用程序设计界面而适用于广泛的计算机环境,从个人计算机到工作站和超级计算机,OpenGL都能实现高性能的三维图形功能。

3.系统的技术性能和构造

该系统由图形图象工作站、头盔显示器、数据手套与数据服、图形图象输入设备、信息输出设备五大部分构成。

3.1图形图像工作站

3.1.1该工作站在系统中起到信息控制和处理中心的作用。按照头盔所移动方位可以生成实时图像，向人们提供相应的实时图形，可以仿真窗外的合成环境或现实世界的真实环境。给观察者生成酷似真实的信息。

3.1.2可进行高精确度的宿主计算。该系统在信息处理时，需要高精确度的宿主计算，使有关信息得到快速的处理，达到系统虚拟的实时感。

3.1.3图形图象工作站的重要作用之一是生成实时的可视信息。完成这一作用的关键，是工作站每秒钟能够描绘足够的多边形表面。从计算机模型去产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型又有足够的时间，我们可以产生物体在不同光照条件下相当精确的图像。

3.2头盔显示器

头盔显示器与计算机相连，可以使人获得三维立体图像。显示器上还装有三维位置跟踪器，可以跟踪头部的移动，并将六个自由度的移动信号输入计算机，计算机再根据头部位置的变化输出变动的图像，这样就可以像在真实世界中一样，从不同的角度看到不同的景象。

3.3数据手套与数据服

在手部三维位置跟踪设备中，目前比较先进的是数据手套，它不仅具有六个自由度的位置传感器，能探测整个手的移动，而且在手指关节部位设置有应力传感器，能捕捉到每个手指的相对移动和屈伸。戴上数据手套之后，在虚拟环境中抓住与举起一个物体，犹如在真实世界中一样的感觉。

按照同样的道理，可以制成一套数据服，使人体的所有关节部位都附着有位置传感器，甚至触觉反馈器，使人与虚拟对象接触和交互作用时产生真实的对接触物的力感和质感。

3.4 图形图像输入设备

这一输入设备，是由多媒体计算机及网卡、高档PC机、数码照相机和扫瞄仪等组成。

4.结束语

本文阐述了虚拟现实技术的技术性能、特点等方面的知识，这是一项具有广阔开发前景的前沿技术，可以广泛地应用到各个领域。

参考文献：

[1] 王惠刚等，《计算机仿真原理及应用》（第二版），国防科技大学出版社，2000年4月

[2] 何江华，《计算机仿真导论》，科学出版社，2001年3月

作者单位：装甲兵技术学院