虚拟现实技术在机械工程实验教学中的应用

邸 馗, 于天彪, 陈培媛, 孟丽君

(东北大学 教务处, 辽宁 沈阳 110004)

虚拟现实技术(virtual reality，VR)是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。VR技术可以使用户既能直接对虚拟环境中的物体进行考察或者操作，同时也提供视觉、听觉和触觉等多种直观而又自然的实时感知[1-3]。虚拟仿真实验是采用计算机建模与仿真技术、虚拟现实及可视化技术，模拟整个实验过程，可使学生在高沉浸感的虚拟环境下感知复杂机械装备的工作原理、设计过程、加工制造、性能分析、功能演示与故障诊断，以增强学生的学习兴趣，提高实验教学效果[4-8]。

1 虚拟现实系统的特征与主要类型

虚拟现实系统从根本上说是一种高级人机交互接口，它可以同时给予用户视觉、听觉和触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段。

1.1 主要特性

虚拟现实系统主要有3个基本特性，即沉浸性(immersion)、交互性(interactivity)和想象性(imagination)，即人们熟知的“3I”特性[9-12]。

(1) 沉浸感。用户可以沉浸于计算机生成的虚拟环境中而有“身临其境”之感。他所看到的、听到的、嗅到的、触摸到的，完全与真实环境中感受到的一样。沉浸感是VR系统的核心。

(2) 交互性。用户与虚拟环境中各种对象相互作用的能力。它是人机和谐的关键性因素。用户进入虚拟环境后，通过多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用，用户可以进行必要的操作。

(3) 想象力。通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行了各种交互作用，从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新意，产生认识上的飞跃。

1.2 主要类型

(1) 桌面虚拟现实。利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360°范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。

(2) 沉浸的虚拟现实。高级虚拟现实系统，完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。包含头盔式显示器、其他位置跟踪器、数据手套、其他手控输入、声音等设备，把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间。常见的沉浸式系统有基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。

(3) 增强现实性的虚拟现实。增强现实性的虚拟现实是利用虚拟现实环境来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。典型实例，如战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。

(4) 分布式虚拟现实。分布式虚拟现实系统是多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历。典型的分布式虚拟现实系统如SIMNET系统。SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过SIMNET位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器运行在同一个虚拟世界，参与同一场作战演习。

2 虚拟现实系统的基本构成

大多数虚拟现实系统都有5个部分组成，分别是计算机系统、虚拟现实软件、虚拟世界、输入设备和输出设备。其中计算机系统用于处理各种信息，虚拟现实软件是虚拟世界构成的基础和实现凭借，虚拟世界是一个可供用户交互操作的虚拟环境(人机界面)，而计算机系统将最终通过输出设备将虚拟世界反馈的信息作用于用户。而从对信息流处理的角度上看，一个完整的虚拟现实系统由如图1所示的几部分组成。

图1 虚拟现实系统的构成

系统在虚拟环境准备就绪后首先激活跟踪设备、语音设备以及其他设备监控系统，用户和外部受到监控的对象将通过这些设备向计算机发出指令。在虚拟环境对这些指令做出相应的响应之后，计算机系统将首先在虚拟环境数据库做出必要的更新，然后调整当前虚拟环境，并将新的图像送往显示设备，同时将虚拟环境反馈给用户的信息(声音、触觉等)通过反馈系统输出给用户；而虚拟环境对其他外部物理对象反馈的控制信息将通过监控系统输出。

3 虚拟仿真实验教学系统

3.1 系统构成

为了使学生了解和掌握高档数控机床、全断面掘进机、航空航天设备、冶金成套设备等大型复杂机械装备的设计、制造、操作和故障诊断过程，同时解决物理实验设备昂贵、占用空间大、维护费用高、安全性差等缺点，东北大学较早地开展了复杂机械装备虚拟仿真实验的研究与应用，构建了国内先进水平的虚拟仿真实验教学系统。图2为虚拟仿真实验系统的硬件组成示意图。

图2 系统硬件组成示意图

系统选用SGI公司的Onyx4可视化系统作为仿真系统的主体，利用投影机和投影幕墙构建成Power Wall形式的虚拟现实系统；使用同步信号发射器和主动立体眼镜来实现主动立体显示功能，以此实现多用户的视觉沉浸。此外，采用一台PC进行Onyx4控制台操作，一台数据服务器提供数据库服务，一台应用服务器负责其他外部设备和输入输出控制。

其中Onxy4输出的视频信号通过5根BNC连线(每根线上传输信号分别对应RGBHV数据)经过视频分配器分别送往2台投影机和2台22寸CRT显示器；主动立体显示的同步信号则通过编号为0的显示通道输出至红外同步信号发射器。

负责Onyx4系统控制台操作的计算机分别同过RS232接口与以太网接口与Onyx4系统连接，其中RS232接口主要用于控制端利用超级终端程序进行远程登录和控制。在这种登陆方式下，管理员可以对硬件系统的工作情况进行控制、设置和调整，同时在操作系统运行后也能够使用大部分shell命令；而以太网连接主要用于控制端向系统主机传递一些文件数据，或控制端通过基于以太网的X windows远程登录软件来进行登录和控制。在这种情况下，除了可以方便快捷地传递文件数据之外，还可以利用功能强大的远程登录软件来操纵系统主机。一般情况下，这种软件登录后可以获得主机的窗口界面，通过这个界面管理员几乎可以使用系统主机的全部功能。

数据服务器和应用服务器分别通过以太网与主机相连，这2个服务器用于提供数据库服务或其他外部设备的控制。在实际的应用中，这2个服务器将根据具体应用需求作为选项保留或删除。

3.2 虚拟现实系统的应用

虚拟仿真技术为大型复杂机械装备的原理演示、功能仿真、故障诊断，复杂精密零件的工艺验证、复杂综合控制的模拟分析以及大型复杂机械装备操作培训提供了新的方法，弥补了大型复杂机械装备物理实验的诸多不足。虚拟仿真实验教学系统可为本科生开设面向高档数控机床、全断面掘进机、航空航天装备、冶金成套设备等大型复杂机械装备的虚拟样机设计与开发、虚拟装配与功能仿真、虚拟加工与仿真分析、虚拟实验与虚拟测量、虚拟驾驶与虚拟操作、虚拟工程实践训练(数控编程、PLC编程)等虚拟实验与虚拟实践训练课程。虚拟仿真实验系统和实验界面分别见图3和图4。

图3 虚拟仿真实验系统界面

图4 虚拟仿真实验界面

4 结束语

实践表明，虚拟仿真实验具有生动、实验效果直观、安全性好等优点，有利于学生理解和掌握复杂机械结构的原理、制造与装配工艺、使用与操作，有利于激发学生的学习积极性及创新思维，有利于学生的创新实践活动。

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