虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)控制上的應用

1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)控制上的應用作者：北京工業(yè)大學莊春華孫崇正王普摘要：介紹了利用WTK軟件和VC+語言實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)控制上的應用。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實WTKAbstract This paper discusses and analyzes the implementation of virtual reality on industrial control through WTK and VC+ languageKeywords Virtual reality WTK0引言組態(tài)軟件指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟 件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)

2、方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開發(fā)界 面和簡捷的使用方法，其預設(shè)值的各種軟件模塊可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各種 功能，并能支持各種硬件廠家的計算機和I/O設(shè)備，與高可靠的工控計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié) 合，可向控制層和管理層提供軟硬件的全部接口，進行系統(tǒng)集成。組態(tài)軟件作為用戶可定 制功能的軟件平臺工具，是隨著分布式控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）及計 算機控制技術(shù)的日趨成熟而發(fā)展起來的。目前自動化產(chǎn)品呈現(xiàn)出智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化、 PC化、低成本的發(fā)展趨勢，并逐漸形成了各種標準的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，硬件規(guī)范。這使得自動 化系統(tǒng)的“水平”和“垂直”集成變得更加

3、容易。監(jiān)控組態(tài)軟件已經(jīng)成為其中的紐帶和橋梁，是 自動化系統(tǒng)的重要組成部分。經(jīng)過多年來不斷的探索和發(fā)展，國內(nèi)在智能建筑領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當大的成績，智能化程 度較高。其產(chǎn)品在系統(tǒng)實時性、可靠性、安全性等方面都達到了很高的水準。同時，在監(jiān) 控界面的顯示、報表/趨勢圖的生成、實時數(shù)據(jù)的管理、與現(xiàn)場控制器的實時數(shù)據(jù)傳遞以及 遠程監(jiān)控、智能化控制（專家控制）等方面都取得了突破性的進展，并且發(fā)展日趨成熟， 出現(xiàn)了西安協(xié)同、北京三維力控等制作組態(tài)軟件的廠家，他們開發(fā)的產(chǎn)品雖然還不能同國 外的知名產(chǎn)品相比，但在一定程度上卻代表了國內(nèi)智能監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，如三維力控 Force Control是一個面向方案的H

4、MI/SCADA平臺軟件。它基于流行的32位Windows 平臺，具有豐富的I/O驅(qū)動接口，能夠連接各種現(xiàn)場設(shè)備。分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可提供 訪問工廠和企業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一個公共入口。內(nèi)置TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序使用戶可以 充分利用Intranet或Internet的網(wǎng)絡(luò)資源。目前的自控系統(tǒng)雖然功能方面已經(jīng)較為強大，但是很可惜，已經(jīng)成熟應用的系統(tǒng)其監(jiān)控界 面全部為二維圖形界面系統(tǒng)。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，對現(xiàn)場實時的、完全逼真的三維 動畫顯示將是一個重要的發(fā)展方向。1虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)（virtual reality，簡稱VR技術(shù)）是20世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息 技術(shù)。它融合

5、了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、人工智能、多媒體技術(shù)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)以 及并行處理技術(shù)等多個信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果，為創(chuàng)建和體驗虛擬世界提供了有力 的支持，從而大大推進了計算機技術(shù)的發(fā)展。VR技術(shù)的特點在于，由計算機產(chǎn)生一種人 為虛擬的環(huán)境，這種虛擬環(huán)境是通過計算機構(gòu)成的三維空間，或是把其他現(xiàn)實環(huán)境編制到 計算機中去產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，從而使得用戶在感官上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感 覺。虛擬現(xiàn)實技術(shù)實時的三維空間表現(xiàn)能力、人機交互式的操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境 感受，將一改人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現(xiàn)狀。它不但為人機交互界面開創(chuàng)了新 的研究領(lǐng)域，為智能工程的應用提供了新的界面工具

6、，為各類工程大規(guī)模的數(shù)據(jù)可視化提 供了新的描述方法，而且還能為人們探索宏觀世界和微觀世界以及由于種種原因不便于直 接觀察的事物的運動變化規(guī)律提供極大的便利。我們開發(fā)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一個桌式非沉浸式的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，用戶與虛擬環(huán)境的交互采 用鼠標與鍵盤。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的工業(yè)控制組態(tài)軟件與國內(nèi)現(xiàn)有的組態(tài)軟件不同之處在 于：對現(xiàn)場模擬的逼真度不同。虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬現(xiàn)場的環(huán)境、物體等?，F(xiàn)場所有物體的形 狀屬性、材質(zhì)屬性以及環(huán)境中的燈光、灰塵等均可在監(jiān)控界面上表現(xiàn)出來，三維物體的所 有部分均可瀏覽與察看。而現(xiàn)有的系統(tǒng)由于均為二維界面，對現(xiàn)場對象的表達主要以圖形 顯示，要么是位圖格式的對象，要么是矢量圖形

7、。雖然矢量圖格式表達起來較位圖有很多 優(yōu)點，如縮放時圖像不失真，占用存儲空間小等，但相對于三維的物體表達方式來說其功 能就不值一提了。瀏覽場景的方式不同。虛擬現(xiàn)實旨在提供用戶一個完全逼真的虛擬場景，用戶在這個虛 擬場景中的操作如同在現(xiàn)實生活中對對象的操作一樣，可以看到物體的前、后、左、右等 所有部位，可以操控虛擬場景中的所有對象。而目前在二維界面下的瀏覽操作僅僅是觀察 一個圖畫界面，顯得單調(diào)而乏味。功能不同。相對于以上兩個特點來說，這個特點是最有價值的。新型工業(yè)自控系統(tǒng)并不 是華而不實的。它所具備的功能除了當前系統(tǒng)具有的所有功能外，還有一個最重要的功能 就是訓練、引導功能?？梢宰悴怀鰬魹g覽全部

8、現(xiàn)場的情況和各個控制對象。虛擬場景建模工具的設(shè)計是一個復雜的工作，開發(fā)建模工具也是很困難的。為此選擇了市 場上目前最廣泛流行的3DS Max作為虛擬場景建模工具，3DS Max是美國Autodesk公 司推出的功能強大的三維設(shè)計軟件包，也是當前世界上銷量最大的一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用 軟件。它集三維建模、材質(zhì)制作、燈光設(shè)定、攝像機使用、動畫設(shè)置及渲染輸出于一身， 提供了三維動畫及靜態(tài)效果圖全面完整的解決方案。因此，3DS Max軟件已在平面設(shè)計、 機械制造、建筑裝潢、室內(nèi)外環(huán)境設(shè)計、軍事科技模擬、事故分析、科研教育、影視娛樂 等全世界范圍內(nèi)的多種行業(yè)中得到了極為廣泛的應用?；谝陨显颍覀冞x擇3

9、DS Max 軟件作為虛擬現(xiàn)實建模軟件。但3DS Max軟件畢竟不是專門面向工控領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實建 模軟件，需要將現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)與虛擬場景中的模型對象相互關(guān)聯(lián)，這樣才能夠根據(jù)現(xiàn)場 的傳感器數(shù)據(jù)更新虛擬場景的內(nèi)容，這就需要3DS Max環(huán)境具有數(shù)據(jù)配置功能。另外， 考慮到3DS Max場景建模過程比較復雜，我們設(shè)計了一些專門用于制作3DS Max工控 對象的插件。Sensor8公司的WTK虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)包一種簡潔的跨平臺軟件開發(fā)系統(tǒng)，可用于科學 和商業(yè)領(lǐng)域建立高性能的、實時的、綜合的三維工程。WTK具有很強的功能及終端用戶 工具，可用來建立和管理項目并使之商業(yè)化。WTK通過以C/C+外掛平臺的方

10、式為用戶 提供一個完整的三維虛擬環(huán)境交互開發(fā)平臺。WTK為用戶提供1000多個基于C語言代 碼的庫函數(shù)，可以在程序中直接調(diào)用。同時，WTK借助于OpenGL的底層圖形函數(shù)為用 戶提供高層的應用軟件開發(fā)接口，可直接將WTK作為外部方庫嵌入到自己的應用程序進 行三維虛擬現(xiàn)實應用程序的開發(fā)。所以，我們所用WTK作為場景瀏覽開發(fā)平臺。2 WTK的虛擬環(huán)境合成及仿真管理WTK按照一種面向?qū)ο蟮拿绞絹斫M織，其主要函數(shù)類由“Universe”、“Object”、 “Polygon”、“Vertex”、“Path”、“Sensor”、“Viewpoint”、“Light Source”、“Portal”和

11、“Animation” 等幾大部分組成。從分層角度看，“Universe”是最高層的類，在一個WTK虛擬環(huán)境中只有 一個“Universe”處于激活狀態(tài)。Universe包含了虛擬環(huán)境中的所有對象并且被WTK內(nèi)部 的一個“仿真管理程序”所維護。通過引入由外部工具制作的3D對象，并在VC+程序中利用嵌入的WTK庫函數(shù)，可以實現(xiàn)WTK虛擬環(huán)境的編譯和測試。仿真管理程序是WTK最重要的部分，控制著虛擬環(huán)境中進程的執(zhí)行。圖1反應了一次仿 真循環(huán)的流程?？梢酝ㄟ^特定的動作函數(shù)來控制虛擬環(huán)境中的事件，在仿真循環(huán)中，每個 對象都可以執(zhí)行任務(wù)函數(shù)。詡用 Universe動作學散憲圖形對象上排行任揮圖1 WTK

12、仿真管理程序3虛擬現(xiàn)實在工業(yè)控制的應用工業(yè)控制中的虛擬現(xiàn)實與其它虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不同之處在于除了與用戶的交互之外，還要與 現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)庫進行交互。當現(xiàn)場的狀態(tài)改變時，在虛擬環(huán)境中用戶能通過漫游看到和現(xiàn) 場相匹配的模型狀態(tài)的改變，或者當用戶想改變現(xiàn)場的狀態(tài)時，可以通過鼠標點擊虛擬環(huán) 境中的模型來實現(xiàn)。既需要與現(xiàn)場設(shè)備隨時交換數(shù)據(jù)，又可根據(jù)現(xiàn)場的返回數(shù)據(jù)實時地改 變虛擬場景。所以我們需要執(zhí)行的工業(yè)控制軟件部分總體結(jié)構(gòu)如圖2。圖2虛擬現(xiàn)實組態(tài)軟件運行模塊本方案使用的開發(fā)語言是VC+.NET和WTK引擎。下面重點介紹在WTK開發(fā)中比較 重要的場景配置和場景瀏覽。3.1場景配置系統(tǒng)采用的三維場景制作軟件是3

13、D Max，在3D Max中做一些工業(yè)對象的插件，生成虛 擬場景，然后再利用WTK的導入功能將制作的三維場景導入。如圖3所示的工控對象就 是針對工業(yè)控制的需要，在3DMax中添加的插件。圖3 DMax建模界面圖3.2場景瀏覽3.2.1場景生成將用3D max制作的開關(guān)/報警器等的配置信息輸出保存成WTK文件，用WTK引擎，通 過WTnode_load（）函數(shù)將WTK文件導入使3D圖像重現(xiàn)。在WTK運行時，首先初始化一個Universe （宇宙）對象作為“容器，在Universe中加入 構(gòu)成場景圖（Scene Graph）的各種節(jié)點（對象），每一幅場景圖都是若干節(jié)點的有序集 合，其結(jié)構(gòu)相當于一棵

14、自上而下倒置的樹型結(jié)構(gòu)。構(gòu)成場景圖的節(jié)點包括Geometry Node（幾何節(jié)點）、Light Node（燈光節(jié)點）、Fog Node （霧節(jié)點）、Transform Node （位置 方向節(jié)點）和Grouping Node（分組節(jié)點）等。應用程序通過調(diào)用庫函數(shù)WTuniverse_go（） 進入仿真循環(huán)，WTK通過檢測傳感器的數(shù)據(jù)變化和各種輸入激活一個與回調(diào)函數(shù)類似的任 務(wù)處理器分派不同的任務(wù)，并根據(jù)定義的任務(wù)優(yōu)先級別分別執(zhí)行。通過定義特定的動作函 數(shù)就可以控制虛擬環(huán)境中的各種對象。WTK的仿真循環(huán)可以執(zhí)行一次或多次，在定義動作 函數(shù)時設(shè)定一定的條件，滿足條件后，WTK則調(diào)用WTuniver

15、se_stop（）函數(shù)，系統(tǒng)退出循 環(huán)。3.2.2場景瀏覽交互控制場景瀏覽交互控制用來處理鼠標及鍵盤的輸入，利用鼠標的動作改變場景視點，達到瀏覽 場景的目的。共制作了瀏覽、翻轉(zhuǎn)、物體選擇以及操作等4種模式。瀏覽模式定義鼠標單 擊視圖的第一點為基準點，以基準點為端點進行拖拉，可在視圖中進行向前、向后、向左、 向右的瀏覽操作。翻轉(zhuǎn)模式定義鼠標單擊視圖的第一點為基準點，以基準點為端點進行拖 拉，定義基準點到拖拉點的方向為翻轉(zhuǎn)方向，可對視圖進行任意角度的反轉(zhuǎn)操作。物體選 擇模式定義鼠標單擊視圖的點為選擇點，選擇視圖中選擇點落入其范圍的最前方物體，可 進行選擇物體的操作。操作模式可進行現(xiàn)場的實際控制，物體建模過程中定義了許多與現(xiàn) 場節(jié)點相互關(guān)聯(lián)的控制器模型，可通過操作控制器節(jié)點控制現(xiàn)場對象。4顯示界面通過場景建模和場景瀏覽實現(xiàn)了對工控對象的拾取、改變材質(zhì)屬性和使控制對象移動等虛 擬現(xiàn)實的一般功能。當現(xiàn)場發(fā)出報警信號時，顯示界面的報警燈發(fā)生顏色改變，用戶可以 通過改變顯示界面中的開關(guān)狀態(tài)關(guān)閉現(xiàn)場的閥門等，消除危險。圖4顯示了當報警燈顏色 發(fā)生改變時，即報警狀態(tài)的開關(guān)開始動作。圖4虛擬場景的界面