虚拟现实技术在工业控制上的应用

1、虚拟现实技术在工业控制上的应用作者：北京工业大学庄春华孙崇正王普摘要：介绍了利用WTK软件和VC+语言实现虚拟现实技术在工业控制上的应用。关键词：虚拟现实WTKAbstract This paper discusses and analyzes the implementation of virtual reality on industrial control through WTK and VC+ languageKeywords Virtual reality WTK0引言组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软 件平台和开发环境，能以灵活多样的组态

2、方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界 面和简捷的使用方法，其预设值的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各种 功能，并能支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结 合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系统集成。组态软件作为用户可定 制功能的软件平台工具，是随着分布式控制系统（distributed control system, DCS）及计 算机控制技术的日趋成熟而发展起来的。目前自动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、 PC化、低成本的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的网络结构，硬件规范。这使得自动 化系统的“水平”和“垂直”集成变得更加

3、容易。监控组态软件已经成为其中的纽带和桥梁，是 自动化系统的重要组成部分。经过多年来不断的探索和发展，国内在智能建筑领域已经取得了相当大的成绩，智能化程 度较高。其产品在系统实时性、可靠性、安全性等方面都达到了很高的水准。同时，在监 控界面的显示、报表/趋势图的生成、实时数据的管理、与现场控制器的实时数据传递以及 远程监控、智能化控制（专家控制）等方面都取得了突破性的进展，并且发展日趋成熟， 出现了西安协同、北京三维力控等制作组态软件的厂家，他们开发的产品虽然还不能同国 外的知名产品相比，但在一定程度上却代表了国内智能监控系统的发展现状，如三维力控 Force Control是一个面向方案的H

4、MI/SCADA平台软件。它基于流行的32位Windows 平台，具有丰富的I/O驱动接口，能够连接各种现场设备。分布式实时数据库系统可提供 访问工厂和企业系统数据的一个公共入口。内置TCP/IP协议的网络服务程序使用户可以 充分利用Intranet或Internet的网络资源。目前的自控系统虽然功能方面已经较为强大，但是很可惜，已经成熟应用的系统其监控界 面全部为二维图形界面系统。随着虚拟现实技术的发展，对现场实时的、完全逼真的三维 动画显示将是一个重要的发展方向。1虚拟现实技术虚拟现实技术（virtual reality，简称VR技术）是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息 技术。它融合

5、了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体技术、传感器、网络以 及并行处理技术等多个信息技术分支的最新发展成果，为创建和体验虚拟世界提供了有力 的支持，从而大大推进了计算机技术的发展。VR技术的特点在于，由计算机产生一种人 为虚拟的环境，这种虚拟环境是通过计算机构成的三维空间，或是把其他现实环境编制到 计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在感官上产生一种沉浸于虚拟环境的感 觉。虚拟现实技术实时的三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境 感受，将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状。它不但为人机交互界面开创了新 的研究领域，为智能工程的应用提供了新的界面工具

6、，为各类工程大规模的数据可视化提 供了新的描述方法，而且还能为人们探索宏观世界和微观世界以及由于种种原因不便于直 接观察的事物的运动变化规律提供极大的便利。我们开发的虚拟现实系统是一个桌式非沉浸式的虚拟现实系统，用户与虚拟环境的交互采 用鼠标与键盘。基于虚拟现实技术的工业控制组态软件与国内现有的组态软件不同之处在 于：对现场模拟的逼真度不同。虚拟现实技术模拟现场的环境、物体等。现场所有物体的形 状属性、材质属性以及环境中的灯光、灰尘等均可在监控界面上表现出来，三维物体的所 有部分均可浏览与察看。而现有的系统由于均为二维界面，对现场对象的表达主要以图形 显示，要么是位图格式的对象，要么是矢量图形

7、。虽然矢量图格式表达起来较位图有很多 优点，如缩放时图像不失真，占用存储空间小等，但相对于三维的物体表达方式来说其功 能就不值一提了。浏览场景的方式不同。虚拟现实旨在提供用户一个完全逼真的虚拟场景，用户在这个虚 拟场景中的操作如同在现实生活中对对象的操作一样，可以看到物体的前、后、左、右等 所有部位，可以操控虚拟场景中的所有对象。而目前在二维界面下的浏览操作仅仅是观察 一个图画界面，显得单调而乏味。功能不同。相对于以上两个特点来说，这个特点是最有价值的。新型工业自控系统并不 是华而不实的。它所具备的功能除了当前系统具有的所有功能外，还有一个最重要的功能 就是训练、引导功能。可以足不出户浏览全部

8、现场的情况和各个控制对象。虚拟场景建模工具的设计是一个复杂的工作，开发建模工具也是很困难的。为此选择了市 场上目前最广泛流行的3DS Max作为虚拟场景建模工具，3DS Max是美国Autodesk公 司推出的功能强大的三维设计软件包，也是当前世界上销量最大的一种虚拟现实技术应用 软件。它集三维建模、材质制作、灯光设定、摄像机使用、动画设置及渲染输出于一身， 提供了三维动画及静态效果图全面完整的解决方案。因此，3DS Max软件已在平面设计、 机械制造、建筑装潢、室内外环境设计、军事科技模拟、事故分析、科研教育、影视娱乐 等全世界范围内的多种行业中得到了极为广泛的应用。基于以上原因，我们选择3

9、DS Max 软件作为虚拟现实建模软件。但3DS Max软件毕竟不是专门面向工控领域的虚拟现实建 模软件，需要将现场的实时数据与虚拟场景中的模型对象相互关联，这样才能够根据现场 的传感器数据更新虚拟场景的内容，这就需要3DS Max环境具有数据配置功能。另外， 考虑到3DS Max场景建模过程比较复杂，我们设计了一些专门用于制作3DS Max工控 对象的插件。Sensor8公司的WTK虚拟现实软件开发包一种简洁的跨平台软件开发系统，可用于科学 和商业领域建立高性能的、实时的、综合的三维工程。WTK具有很强的功能及终端用户 工具，可用来建立和管理项目并使之商业化。WTK通过以C/C+外挂平台的方

10、式为用户 提供一个完整的三维虚拟环境交互开发平台。WTK为用户提供1000多个基于C语言代 码的库函数，可以在程序中直接调用。同时，WTK借助于OpenGL的底层图形函数为用 户提供高层的应用软件开发接口，可直接将WTK作为外部方库嵌入到自己的应用程序进 行三维虚拟现实应用程序的开发。所以，我们所用WTK作为场景浏览开发平台。2 WTK的虚拟环境合成及仿真管理WTK按照一种面向对象的命名方式来组织，其主要函数类由“Universe”、“Object”、 “Polygon”、“Vertex”、“Path”、“Sensor”、“Viewpoint”、“Light Source”、“Portal”和

11、“Animation” 等几大部分组成。从分层角度看，“Universe”是最高层的类，在一个WTK虚拟环境中只有 一个“Universe”处于激活状态。Universe包含了虚拟环境中的所有对象并且被WTK内部 的一个“仿真管理程序”所维护。通过引入由外部工具制作的3D对象，并在VC+程序中利用嵌入的WTK库函数，可以实现WTK虚拟环境的编译和测试。仿真管理程序是WTK最重要的部分，控制着虚拟环境中进程的执行。图1反应了一次仿 真循环的流程。可以通过特定的动作函数来控制虚拟环境中的事件，在仿真循环中，每个 对象都可以执行任务函数。诩用 Universe动作学散宪图形对象上排行任挥图1 WTK

12、仿真管理程序3虚拟现实在工业控制的应用工业控制中的虚拟现实与其它虚拟现实系统不同之处在于除了与用户的交互之外，还要与 现场实时数据库进行交互。当现场的状态改变时，在虚拟环境中用户能通过漫游看到和现 场相匹配的模型状态的改变，或者当用户想改变现场的状态时，可以通过鼠标点击虚拟环 境中的模型来实现。既需要与现场设备随时交换数据，又可根据现场的返回数据实时地改 变虚拟场景。所以我们需要执行的工业控制软件部分总体结构如图2。图2虚拟现实组态软件运行模块本方案使用的开发语言是VC+.NET和WTK引擎。下面重点介绍在WTK开发中比较 重要的场景配置和场景浏览。3.1场景配置系统采用的三维场景制作软件是3

13、D Max，在3D Max中做一些工业对象的插件，生成虚 拟场景，然后再利用WTK的导入功能将制作的三维场景导入。如图3所示的工控对象就 是针对工业控制的需要，在3DMax中添加的插件。图3 DMax建模界面图3.2场景浏览3.2.1场景生成将用3D max制作的开关/报警器等的配置信息输出保存成WTK文件，用WTK引擎，通 过WTnode_load（）函数将WTK文件导入使3D图像重现。在WTK运行时，首先初始化一个Universe （宇宙）对象作为“容器，在Universe中加入 构成场景图（Scene Graph）的各种节点（对象），每一幅场景图都是若干节点的有序集 合，其结构相当于一棵

14、自上而下倒置的树型结构。构成场景图的节点包括Geometry Node（几何节点）、Light Node（灯光节点）、Fog Node （雾节点）、Transform Node （位置 方向节点）和Grouping Node（分组节点）等。应用程序通过调用库函数WTuniverse_go（） 进入仿真循环，WTK通过检测传感器的数据变化和各种输入激活一个与回调函数类似的任 务处理器分派不同的任务，并根据定义的任务优先级别分别执行。通过定义特定的动作函 数就可以控制虚拟环境中的各种对象。WTK的仿真循环可以执行一次或多次，在定义动作 函数时设定一定的条件，满足条件后，WTK则调用WTuniver

15、se_stop（）函数，系统退出循 环。3.2.2场景浏览交互控制场景浏览交互控制用来处理鼠标及键盘的输入，利用鼠标的动作改变场景视点，达到浏览 场景的目的。共制作了浏览、翻转、物体选择以及操作等4种模式。浏览模式定义鼠标单 击视图的第一点为基准点，以基准点为端点进行拖拉，可在视图中进行向前、向后、向左、 向右的浏览操作。翻转模式定义鼠标单击视图的第一点为基准点，以基准点为端点进行拖 拉，定义基准点到拖拉点的方向为翻转方向，可对视图进行任意角度的反转操作。物体选 择模式定义鼠标单击视图的点为选择点，选择视图中选择点落入其范围的最前方物体，可 进行选择物体的操作。操作模式可进行现场的实际控制，物体建模过程中定义了许多与现 场节点相互关联的控制器模型，可通过操作控制器节点控制现场对象。4显示界面通过场景建模和场景浏览实现了对工控对象的拾取、改变材质属性和使控制对象移动等虚 拟现实的一般功能。当现场发出报警信号时，显示界面的报警灯发生颜色改变，用户可以 通过改变显示界面中的开关状态关闭现场的阀门等，消除危险。图4显示了当报警灯颜色 发生改变时，即报警状态的开关开始动作。图4虚拟场景的界面