起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)探討

1、起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)探討    內(nèi)容導(dǎo)讀：據(jù)虛擬環(huán)境提供的視覺、聽覺和觸覺反饋,直接感知操縱對象的結(jié)構(gòu)和工作原理,構(gòu)想操縱動作要領(lǐng),體驗在現(xiàn)實世界中經(jīng)常發(fā)生或者極少發(fā)生的各類生產(chǎn)工況,并取得令人滿足的培訓(xùn)效果。起重機是一類廣泛應(yīng)用于冶金、制造、港口、水電、建筑等行業(yè)的物流運輸設(shè)備,同時,起重機也屬于特種設(shè)備的范疇,起重機司機必須經(jīng)過嚴格的安全技術(shù)理 虛擬現(xiàn)實是一種先進的、自然的、直接的人機交互技術(shù),它能夠同時提供諸如視覺、聽覺、觸覺等多種感知,允許用戶與計算機中的模型進行實時交互,并使他們獲得與真實世界相似的體驗。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,虛擬

2、現(xiàn)實技術(shù)的研究越來越深入,其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。模擬培訓(xùn)系統(tǒng)是一種集成了傳感器技術(shù)、計算機接口技術(shù)、三維實時動畫技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等先進技術(shù)于一體的仿真系統(tǒng),它不僅具有節(jié)能、安全、經(jīng)濟等優(yōu)點,而且培訓(xùn)不受時間、天氣、場地的限制。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)的3I特性沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和構(gòu)想(Imagination),受訓(xùn)者可以沉浸在虛擬操縱環(huán)境當中。根據(jù)虛擬環(huán)境提供的視覺、聽覺和觸覺反饋,直接感知操縱對象的結(jié)構(gòu)和工作原理,構(gòu)想操縱動作要領(lǐng),體驗在現(xiàn)實世界中經(jīng)常發(fā)生或者極少發(fā)生的各類生產(chǎn)工況,并取得令人滿足的培訓(xùn)效果。起重機是一類

3、廣泛應(yīng)用于冶金、制造、港口、水電、建筑等行業(yè)的物流運輸設(shè)備,同時,起重機也屬于特種設(shè)備的范疇,起重機司機必須經(jīng)過嚴格的安全技術(shù)理論學(xué)習(xí)和安全技術(shù)操縱實踐,考核合格之后方能獲證上崗。目前起重機司機受訓(xùn)的實踐操縱與考核環(huán)節(jié)大部分是在租用工廠的起重機上進行,這種方式固然能夠使受訓(xùn)者獲得直接的受訓(xùn)體驗,但也存在較大的安全隱患,同時具有受訓(xùn)資源受限、能耗浪費大、考核評估缺乏客觀性、培訓(xùn)效果不盡如人意等缺點,這給當前起重機司機的培養(yǎng)工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。研究并開發(fā)性能卓越、功能強大的起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)并將其用于起重機司機的培訓(xùn)工作,是迎接這一挑戰(zhàn)的最有效方法,本文即是在這一背景下選題并展開研究的。本文針對

4、起重機司機培訓(xùn)的特殊要求,分析了起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的特點與組成,建立了融合技能練習(xí)和理論知識教學(xué)于一體的培訓(xùn)實施框架,并對其中的建模理論與方法、紋理殊效與性能優(yōu)化技術(shù)、可運動的虛擬人體建模及其自由變分的結(jié)構(gòu)特點采取了有針對性的建模策略,建立了包含大車、小車和取物裝置等主要運動構(gòu)件的層次模型;基于模板文件實現(xiàn)了可參數(shù)驅(qū)動的箱形梁虛擬建模,解決了系列化箱形結(jié)構(gòu)的快速建模問題;基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計了若干典型型材的自定義原型節(jié)點,可以實現(xiàn)快捷方便的型材虛擬建模。3、研究了紋理殊效與性能優(yōu)化技術(shù)。采用具有透明 形方法、適于起重機受訓(xùn)環(huán)境的視景顯示方案、面向操控的人機交互技術(shù)等內(nèi)容進行了系統(tǒng)、深入的研究。

5、論文選題具有重要的理論意義與實用價值,取得的成果和創(chuàng)新點主要有;1、提出了一種新的模擬培訓(xùn)的實旋框架,指出模擬培訓(xùn)系統(tǒng)不僅應(yīng)該具有模擬操縱功能,還要具有理論知識教學(xué)功能;針對起重機司機培訓(xùn)的要求,給出了一種系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu),并采用多層次的視景模型以適應(yīng)不同的培訓(xùn)目的。2、研究了基于景物幾何的起重機虛擬場景的建模方法。根據(jù)起重機工作場景不同組成部分的結(jié)構(gòu)特點采取了有針對性的建模策略,建立了包含大車、小車和取物裝置等主要運動構(gòu)件的層次模型;基于模板文件實現(xiàn)了可參數(shù)驅(qū)動的箱形梁虛擬建模,解決了系列化箱形結(jié)構(gòu)的快速建模問題;基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計了若干典型型材的自定義原型節(jié)點,可以實現(xiàn)快捷方便的型材虛擬建模

6、。3、研究了紋理殊效與性能優(yōu)化技術(shù)。采用具有透明度信息的紋理圖像,實現(xiàn)了基于簡單造型節(jié)點和紋理映射技術(shù)的桁架結(jié)構(gòu)建模;基于多重紋理的光照技術(shù),實現(xiàn)了箱形梁內(nèi)部場景的移動光照效果;從文件的優(yōu)化、模型的優(yōu)化和紋理的優(yōu)化三個方面出發(fā),研究了VRML場景的優(yōu)化處理技術(shù);采用Bsp樹對場景模型進行組織和管理,有效地控制了三角形面片的渲染數(shù)量。4、研究了基于骨架的虛擬人體建模方法,結(jié)合人體關(guān)節(jié)的國際標準H-Anim及其中的四種關(guān)節(jié)層次,利用插補算法實現(xiàn)了關(guān)節(jié)的運動控制,利用FFD技術(shù)實現(xiàn)了人體腰部的彎曲變形。5、研究了視覺和操縱兩方面的若干人機交互技術(shù)。分析了目前起重機模擬培訓(xùn)常用的幾種視景顯示方案,提出

7、了一種基于增強現(xiàn)實的顯示概念,并對其中若干問題的實現(xiàn)方法進行了探討;研究了基于操縱的人機交互技術(shù),通過期間或造型位置與起重機運動參數(shù)之間建立的聯(lián)系,實現(xiàn)了兩種典型的虛擬控制器;提出了一種基于虛擬鍵盤映射技術(shù)的物理控制器解決方案,設(shè)計了一個小巧、靈活的控制盒原型,可以方便地操縱虛擬起重機并實現(xiàn)有關(guān)運動。本文1.2提高復(fù)雜場景逼真程度的建模技術(shù)42-453.2起重機虛擬環(huán)境的幾何建模研究45-523.2.1起重機虛擬環(huán)境的幾何模型分類及其特點45-473.2.2基于VRML的虛擬場景構(gòu)建47-523.3上一頁 1 2 3 4 5 6

8、60;下一頁 的研究沒有也不可能包含起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的所有問題,但希望以本文的研究為基礎(chǔ),對相關(guān)理論和方法的研究能夠得到延續(xù)和發(fā)展,起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)也能夠盡快得以實用?！娟P(guān)鍵詞】：虛擬建模性能優(yōu)化Bsp樹H-Anim視景顯示操縱交互物理控制器【論文提綱】：· 摘要4-6· Abstract6-13· 第1章緒論13-23· 1.1研究背景13-15· 1.1.1課題的提出13-14· 1.1.2課題來源14-15· 1.2國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀15-20· 1.2.1練習(xí)模擬器的上風(fēng)15-16· 1.2

9、.2練習(xí)模擬器的研究現(xiàn)狀16-17· 1.2.3起重機練習(xí)模擬器的研究現(xiàn)狀17-19· 1.2.4起重機練習(xí)模擬器與一般機車駕駛模擬器的差異19-20· 1.3課題研究的目的和意義20-21· 1.4課題的研究內(nèi)容21-23· 第2章起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析和設(shè)計23-39· 2.1培訓(xùn)系統(tǒng)的概念23-25· 2.1.1培訓(xùn)和練習(xí)的比較23· 2.1.2培訓(xùn)系統(tǒng)的內(nèi)涵23-25· 2.2起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的總體框架25-34· 2.2.1起重機司機的培訓(xùn)內(nèi)容25-27· 2.2.2

10、起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的組成27-28· 2.2.3起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的工作原理28-29· 2.2.4起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)29-34· 2.3系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)34-38· 2.3.1視景仿真技術(shù)35· 2.3.2虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)35-36· 2.3.3虛擬人建模技術(shù)36· 2.3.4增強虛擬技術(shù)36-37· 2.3.5面向?qū)ο蠹夹g(shù)37· 2.3.6分布式技術(shù)37-38· 2.4本章小結(jié)38-39· 第3章起重機虛擬環(huán)境幾何建模研究39-64· 3.1基于幾何的虛擬環(huán)境

11、建模39-45· 3.1.1虛擬環(huán)境幾何模型的描述方法39-42· 3.1.2提高復(fù)雜場景逼真程度的建模技術(shù)42-45· 3.2起重機虛擬環(huán)境的幾何建模研究45-52· 3.2.1起重機虛擬環(huán)境的幾何模型分類及其特點45-47· 3.2.2基于VRML的虛擬場景構(gòu)建47-52· 3.3 橋式起重機動力學(xué)模型研究52-54· 3.4金屬結(jié)構(gòu)幾何建模的特殊方法研究54-63· 3.4.1基于可驅(qū)動虛擬模型的箱形結(jié)構(gòu)建模55-60· 3.4.2基于自定義節(jié)點的型材建模60-63· 3.5本章小結(jié)63-

12、64· 第4章紋理技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)建模中的應(yīng)用研究64-78· 4.1紋理技術(shù)概述64-69· 4.1.1紋理映射技術(shù)基本原理64-66· 4.1.2紋理的獲取方法66-67· 4.1.3提高紋理映射質(zhì)量的方法67-68· 4.1.4VRML對紋理映射的支持68-69· 4.2透明紋理映射技術(shù)及其在析架結(jié)構(gòu)建模中的應(yīng)用69-72· 4.3基于多重紋理的建模研究72-77· 4.3.1多重紋理概述72-74· 4.3.2VRML中多重紋理的實現(xiàn)框架74-75· 4.3.3多重紋理實例箱形梁

13、內(nèi)部的移動光照75-77· 4.4本章小結(jié)77-78· 第5章起重機復(fù)雜場景的性能優(yōu)化78-91· 5.1提高實時性的建模技術(shù)78-81· 5.1.1LOD(LevelofDetail)技術(shù)78-79· 5.1.2可見性裁剪(VisibilityCulling)79-81· 5.2起重機虛擬場景的優(yōu)化81-85· 5.3起重機虛擬場景的可見性計算85-90· 5.4本章小結(jié)90-91· 第6章虛擬人體的建模研究91-118· 6.1虛擬人的應(yīng)用背景91-93· 6.2虛擬人研究領(lǐng)域的技

14、術(shù)現(xiàn)狀93-99· 6.2.1虛擬人體幾何建模方面93-96· 6.2.2運動控制研究方面96-98· 6.2.3虛擬人體變形研究方面98-99· 6.3基于骨架的虛擬人體建模方法研究99-112· 6.3.1基本原理99-100· 6.3.2H-Anim規(guī)范概況100-102· 6.3.3H-Anim的節(jié)點描述102-105· 6.3.4具有簡單動作的虛擬人體建模實踐105-112· 6.4基于FFD的NURBs曲面變形研究112-117· 6.4.1FFD基本原理112-115·

15、6.4.2基于FFD的人體腰部彎曲變形實例115-117· 6.5本-1327.3.1基于桌面的顯示方案127-1297.3.2基于投影的顯示方案129-1307.3.3基于HMD的顯示方案130-1317.3.4三種顯示方式的比較131-1327.4一種增強虛擬的視景顯示方案132-1377.4.1增強虛擬顯示方式的工作原理132-1347.4.2基于頭部跟蹤的視點控制134-1367.4.3基于視頻的紋理映射136-1377.4.4目前增強虛擬方案中存在的問題1377.5 章小結(jié)117-118· 第7章視景顯示方案的研究118-138· 7.1視覺顯示的表現(xiàn)屬

16、性118-120· 7.1.1分辨率118-119· 7.1.2視場角(fieleofview,FOV)119· 7.1.3可視范圍(fieleofregard,FOR)119· 7.1.4焦距119· 7.1.5遮擋性119-120· 7.1.6立體顯示效果120· 7.2立體顯示技術(shù)的原理和實現(xiàn)120-127· 7.2.1立體顯示的基本原理120-122· 7.2.2立體顯示的相關(guān)設(shè)備122-124· 7.2.3基于VRML的立體顯示實現(xiàn)技術(shù)124-127· 7.3典型視景顯示方案

17、127-132· 7.3.1基于桌面的顯示方案127-129· 7.3.2基于投影的顯示方案129-130· 7.3.3基于HMD的顯示方案130-131· 7.3.4三種顯示方式的比較131-132· 7.4一種增強虛擬的視景顯示方案132-137· 7.4.1增強虛擬顯示方式的工作原理132-134· 7.4.2基于頭部跟蹤的視點控制134-136· 7.4.3基于視頻的紋理映射136-137· 7.4.4目前增強虛擬方案中存在的問題137· 7.5本章小結(jié)137-138· 第8章

18、面向操縱的人機交互方式研究138-157· 8.1人機交互技術(shù)發(fā)展概況138-141· 8.2行駛平順性對司機操縱的影響141-143· 8.3操縱虛擬世界的主要方法143-144· 8.4虛擬控制器的設(shè)計與實現(xiàn)144-150· 8.4.1虛擬元件概況144-146· 8.4.2虛擬按鈕的設(shè)計與實現(xiàn)146-148· 8.4.3虛擬推桿的設(shè)計與實現(xiàn)148-150· 8.5物理控制器的設(shè)計與實現(xiàn)150-156· 8.5.1控制器的組成及其控制原理150-151· 8.5.2采集信號與虛擬鍵盤按鍵信號的映射方法151-152· 8.5.3VRML場景的鍵盤控制與交互152-155· 8.5.4一種簡單小巧的物理控制盒實例155-156· 8.6本章小結(jié)156-157· 第9章全文總結(jié)及研究展望157-1609.1全文總結(jié)157-1589.2研究展望158-1