虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)控制上的應(yīng)用

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)控制上的應(yīng)用作者：北京工業(yè)大學(xué)莊春華孫崇正王普摘要：介紹了利用WTK軟件和VC+語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)控制上的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)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(guò)程控制的專(zhuān)用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟 件平臺(tái)和開(kāi)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(kāi)發(fā)界 面和簡(jiǎn)捷的使用方法，其預(yù)設(shè)值的各種軟件模塊可以非常容易地實(shí)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(jì)算機(jī)和I/O設(shè)備，與高可靠的工控計(jì)算機(jī)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(jìn)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(tái)工具，是隨著分布式控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）及計(jì) 算機(jī)控制技術(shù)的日趨成熟而發(fā)展起來(lái)的。目前自動(dòng)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(shì)，并逐漸形成了各種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，硬件規(guī)范。這使得自動(dòng) 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(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分。經(jīng)過(guò)多年來(lái)不斷的探索和發(fā)展，國(guó)內(nèi)在智能建筑領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成績(jī)，智能化程 度較高。其產(chǎn)品在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性等方面都達(dá)到了很高的水準(zhǔn)。同時(shí)，在監(jiān) 控界面的顯示、報(bào)表/趨勢(shì)圖的生成、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的管理、與現(xiàn)場(chǎng)控制器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞以及 遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能化控制（專(zhuān)家控制）等方面都取得了突破性的進(jìn)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(kāi)發(fā)的產(chǎn)品雖然還不能同國(guó) 外的知名產(chǎn)品相比，但在一定程度上卻代表了國(guó)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(gè)面向方案的H

4、MI/SCADA平臺(tái)軟件。它基于流行的32位Windows 平臺(tái)，具有豐富的I/O驅(qū)動(dòng)接口，能夠連接各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可提供 訪問(wèn)工廠和企業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一個(gè)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(qiáng)大，但是很可惜，已經(jīng)成熟應(yīng)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(shí)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的、完全逼真的三維 動(dòng)畫(huà)顯示將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，簡(jiǎn)稱VR技術(shù)）是20世紀(jì)末才興起的一門(mén)嶄新的綜合性信息 技術(shù)。它融合

5、了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、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(gè)信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果，為創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界提供了有力 的支持，從而大大推進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。VR技術(shù)的特點(diǎn)在于，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人 為虛擬的環(huán)境，這種虛擬環(huán)境是通過(guò)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的三維空間，或是把其他現(xiàn)實(shí)環(huán)境編制到 計(jì)算機(jī)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(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)的三維空間表現(xiàn)能力、人機(jī)交互式的操作環(huán)境以及給人帶來(lái)的身臨其境 感受，將一改人與計(jì)算機(jī)之間枯燥、生硬和被動(dòng)的現(xiàn)狀。它不但為人機(jī)交互界面開(kāi)創(chuàng)了新 的研究領(lǐng)域，為智能工程的應(yīng)用提供了新的界面工具

6、，為各類(lèi)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(yùn)動(dòng)變化規(guī)律提供極大的便利。我們開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一個(gè)桌式非沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用戶與虛擬環(huán)境的交互采 用鼠標(biāo)與鍵盤(pán)。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)控制組態(tài)軟件與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的組態(tài)軟件不同之處在 于：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬的逼真度不同。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境、物體等?，F(xiàn)場(chǎng)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(lái)，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(duì)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象的表達(dá)主要以圖形 顯示，要么是位圖格式的對(duì)象，要么是矢量圖形

7、。雖然矢量圖格式表達(dá)起來(lái)較位圖有很多 優(yōu)點(diǎn)，如縮放時(shí)圖像不失真，占用存儲(chǔ)空間小等，但相對(duì)于三維的物體表達(dá)方式來(lái)說(shuō)其功 能就不值一提了。瀏覽場(chǎng)景的方式不同。虛擬現(xiàn)實(shí)旨在提供用戶一個(gè)完全逼真的虛擬場(chǎng)景，用戶在這個(gè)虛 擬場(chǎng)景中的操作如同在現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)對(duì)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(chǎng)景中的所有對(duì)象。而目前在二維界面下的瀏覽操作僅僅是觀察 一個(gè)圖畫(huà)界面，顯得單調(diào)而乏味。功能不同。相對(duì)于以上兩個(gè)特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這個(gè)特點(diǎn)是最有價(jià)值的。新型工業(yè)自控系統(tǒng)并不 是華而不實(shí)的。它所具備的功能除了當(dāng)前系統(tǒng)具有的所有功能外，還有一個(gè)最重要的功能 就是訓(xùn)練、引導(dǎo)功能?？梢宰悴怀鰬魹g覽全部

8、現(xiàn)場(chǎng)的情況和各個(gè)控制對(duì)象。虛擬場(chǎng)景建模工具的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工作，開(kāi)發(fā)建模工具也是很困難的。為此選擇了市 場(chǎng)上目前最廣泛流行的3DS Max作為虛擬場(chǎng)景建模工具，3DS Max是美國(guó)Autodesk公 司推出的功能強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)軟件包，也是當(dāng)前世界上銷(xiāo)量最大的一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用 軟件。它集三維建模、材質(zhì)制作、燈光設(shè)定、攝像機(jī)使用、動(dòng)畫(huà)設(shè)置及渲染輸出于一身， 提供了三維動(dòng)畫(huà)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(jì)、 機(jī)械制造、建筑裝潢、室內(nèi)外環(huán)境設(shè)計(jì)、軍事科技模擬、事故分析、科研教育、影視娛樂(lè) 等全世界范圍內(nèi)的多種行業(yè)中得到了極為廣泛的應(yīng)用?；谝陨显颍覀冞x擇3

9、DS Max 軟件作為虛擬現(xiàn)實(shí)建模軟件。但3DS Max軟件畢竟不是專(zhuān)門(mén)面向工控領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)建 模軟件，需要將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與虛擬場(chǎng)景中的模型對(duì)象相互關(guān)聯(lián)，這樣才能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng) 的傳感器數(shù)據(jù)更新虛擬場(chǎng)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(chǎng)景建模過(guò)程比較復(fù)雜，我們?cè)O(shè)計(jì)了一些專(zhuān)門(mén)用于制作3DS Max工控 對(duì)象的插件。Sensor8公司的WTK虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開(kāi)發(fā)包一種簡(jiǎn)潔的跨平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，可用于科學(xué) 和商業(yè)領(lǐng)域建立高性能的、實(shí)時(shí)的、綜合的三維工程。WTK具有很強(qiáng)的功能及終端用戶 工具，可用來(lái)建立和管理項(xiàng)目并使之商業(yè)化。WTK通過(guò)以C/C+外掛平臺(tái)的方

10、式為用戶 提供一個(gè)完整的三維虛擬環(huán)境交互開(kāi)發(fā)平臺(tái)。WTK為用戶提供1000多個(gè)基于C語(yǔ)言代 碼的庫(kù)函數(shù)，可以在程序中直接調(diào)用。同時(shí)，WTK借助于OpenGL的底層圖形函數(shù)為用 戶提供高層的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)接口，可直接將WTK作為外部方庫(kù)嵌入到自己的應(yīng)用程序進(jìn) 行三維虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。所以，我們所用WTK作為場(chǎng)景瀏覽開(kāi)發(fā)平臺(tái)。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?lái)組織，其主要函數(shù)類(lèi)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(lèi)，在一個(gè)WTK虛擬環(huán)境中只有 一個(gè)“Universe”處于激活狀態(tài)。Universe包含了虛擬環(huán)境中的所有對(duì)象并且被WTK內(nèi)部 的一個(gè)“仿真管理程序”所維護(hù)。通過(guò)引入由外部工具制作的3D對(duì)象，并在VC+程序中利用嵌入的WTK庫(kù)函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)WTK虛擬環(huán)境的編譯和測(cè)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(jìn)程的執(zhí)行。圖1反應(yīng)了一次仿 真循環(huán)的流程。可以通過(guò)特定的動(dòng)作函數(shù)來(lái)控制虛擬環(huán)境中的事件，在仿真循環(huán)中，每個(gè) 對(duì)象都可以執(zhí)行任務(wù)函數(shù)。詡用 Universe動(dòng)作學(xué)散憲圖形對(duì)象上排行任揮圖1 WTK

12、仿真管理程序3虛擬現(xiàn)實(shí)在工業(yè)控制的應(yīng)用工業(yè)控制中的虛擬現(xiàn)實(shí)與其它虛擬現(xiàn)實(shí)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(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)改變時(shí)，在虛擬環(huán)境中用戶能通過(guò)漫游看到和現(xiàn) 場(chǎng)相匹配的模型狀態(tài)的改變，或者當(dāng)用戶想改變現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊虛擬環(huán) 境中的模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。既需要與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備隨時(shí)交換數(shù)據(jù)，又可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的返回?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)地改 變虛擬場(chǎng)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(shí)組態(tài)軟件運(yùn)行模塊本方案使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是VC+.NET和WTK引擎。下面重點(diǎn)介紹在WTK開(kāi)發(fā)中比較 重要的場(chǎng)景配置和場(chǎng)景瀏覽。3.1場(chǎng)景配置系統(tǒng)采用的三維場(chǎng)景制作軟件是3

13、D Max，在3D Max中做一些工業(yè)對(duì)象的插件，生成虛 擬場(chǎng)景，然后再利用WTK的導(dǎo)入功能將制作的三維場(chǎng)景導(dǎo)入。如圖3所示的工控對(duì)象就 是針對(duì)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(chǎng)景瀏覽3.2.1場(chǎng)景生成將用3D max制作的開(kāi)關(guān)/報(bào)警器等的配置信息輸出保存成WTK文件，用WTK引擎，通 過(guò)WTnode_load（）函數(shù)將WTK文件導(dǎo)入使3D圖像重現(xiàn)。在WTK運(yùn)行時(shí)，首先初始化一個(gè)Universe （宇宙）對(duì)象作為“容器，在Universe中加入 構(gòu)成場(chǎng)景圖（Scene Graph）的各種節(jié)點(diǎn)（對(duì)象），每一幅場(chǎng)景圖都是若干節(jié)點(diǎn)的有序集 合，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一棵

14、自上而下倒置的樹(shù)型結(jié)構(gòu)。構(gòu)成場(chǎng)景圖的節(jié)點(diǎn)包括Geometry Node（幾何節(jié)點(diǎn)）、Light Node（燈光節(jié)點(diǎn)）、Fog Node （霧節(jié)點(diǎn)）、Transform Node （位置 方向節(jié)點(diǎn)）和Grouping Node（分組節(jié)點(diǎn)）等。應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)WTuniverse_go（） 進(jìn)入仿真循環(huán)，WTK通過(guò)檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)變化和各種輸入激活一個(gè)與回調(diào)函數(shù)類(lèi)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(jí)別分別執(zhí)行。通過(guò)定義特定的動(dòng)作函 數(shù)就可以控制虛擬環(huán)境中的各種對(duì)象。WTK的仿真循環(huán)可以執(zhí)行一次或多次，在定義動(dòng)作 函數(shù)時(shí)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(chǎng)景瀏覽交互控制場(chǎng)景瀏覽交互控制用來(lái)處理鼠標(biāo)及鍵盤(pán)的輸入，利用鼠標(biāo)的動(dòng)作改變場(chǎng)景視點(diǎn)，達(dá)到瀏覽 場(chǎng)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(biāo)單 擊視圖的第一點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，以基準(zhǔn)點(diǎn)為端點(diǎn)進(jìn)行拖拉，可在視圖中進(jìn)行向前、向后、向左、 向右的瀏覽操作。翻轉(zhuǎn)模式定義鼠標(biāo)單擊視圖的第一點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，以基準(zhǔn)點(diǎn)為端點(diǎn)進(jìn)行拖 拉，定義基準(zhǔn)點(diǎn)到拖拉點(diǎn)的方向?yàn)榉D(zhuǎn)方向，可對(duì)視圖進(jìn)行任意角度的反轉(zhuǎn)操作。物體選 擇模式定義鼠標(biāo)單擊視圖的點(diǎn)為選擇點(diǎn)，選擇視圖中選擇點(diǎn)落入其范圍的最前方物體，可 進(jìn)行選擇物體的操作。操作模式可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際控制，物體建模過(guò)程中定義了許多與現(xiàn) 場(chǎng)節(jié)點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)的控制器模型，可通過(guò)操作控制器節(jié)點(diǎn)控制現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象。4顯示界面通過(guò)場(chǎng)景建模和場(chǎng)景瀏覽實(shí)現(xiàn)了對(duì)工控對(duì)象的拾取、改變材質(zhì)屬性和使控制對(duì)象移動(dòng)等虛 擬現(xiàn)實(shí)的一般功能。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)時(shí)，顯示界面的報(bào)警燈發(fā)生顏色改變，用戶可以 通過(guò)改變顯示界面中的開(kāi)關(guān)狀態(tài)關(guān)閉現(xiàn)場(chǎng)的閥門(mén)等，消除危險(xiǎn)。圖4顯示了當(dāng)報(bào)警燈顏色 發(fā)生改變時(shí)，即報(bào)警狀態(tài)的開(kāi)關(guān)開(kāi)始動(dòng)作。圖4虛擬場(chǎng)景的界面