基于集成创新的可重构产品系统虚拟现实实现应用创新研究与实训平台

基于集成创新的可重构产品系统虚拟现实实现应用创新研究与实训平台一、概述虚拟现实（VR-virtualreality）,也称虚拟实境或灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视觉、听觉、触觉等多感知的三维虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境进行互动，身临其境地与之进行交互仿真和信息交流。它是一种全新的数字化人机接口技术，也是数字媒体技术的高级阶段。与传统的模拟技术相比，其主要特征是：操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之互动和交流。通过参与者与虚拟环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维和认识能力，以全方位地获取虚拟环境所蕴涵的各种空间信息和逻辑信息。实时交互性是虚拟现实的实质性特征，对时空环境的现实构想（即启发思维，获取信息的过程）是虚拟现实的最终目的。自从虚拟现实这一新的数字媒体技术诞生以来，它已经在军事仿真、虚拟设计与先进制造、能源开采、城市规划与三维地理信息系统、生物医学、游戏开发等领域中显示出巨大的经济、军事和社会效益，与网络、多媒体并称为21世纪最具应用前景的三大技术。二、建设目标建设基于集成创新的可重构产品系统虚拟现实实现应用创新研究与实训平台的总体目标是通过采用科学、合理、先进的虚拟仿真实验室系统配置，建立一个使参与者具有身临其境感觉和实时交互能力的虚拟现实实验室环境，从而将教学环境与科研水平提升到一个具有技术创新水平的平台高度。建成后的“基于集成创新的可重构产品系统虚拟现实实现应用创新研究与实训平台”应该是一套集教学、科研、演示汇报功能于一体，以沉浸式显示和实时交互为主要功能的虚拟现实实验室环境与新一代数字媒体科技创新平台。三、建设内容根据虚拟现实技术的内涵和本质特征可以看出，它的研究与开发是一项技术要求比较高的工作，它需要有相应的软硬件系统环境予以配套进行。其中，除了完善的虚拟现实软件开发平台和三维图像处理系统之外，根据虚拟现实的技术特征,系统还要求具有高度逼真的三维沉浸感。这种沉浸感主要通过立体听觉、三维触觉或力感以及具有高度沉浸感的视觉环境来实现，其中立体听觉一般通过三维环绕立体声响系统来实现，而高度沉浸的视觉环境通常会通过大屏幕立体投影显示系统来实现。此外，根据虚拟现实的技术特征要求,实时交互性是虚拟现实技术的灵魂，它是区别于其他传统媒体技术的本质所在，在虚拟现实系统这种交互往往通过虚拟现实交互设备来实现，最终形成一个完整的虚拟现实实现系统。所以，根据虚拟现实技术的内涵与实验室总体建设目标的要求，一个完整的虚拟现实系统的结构、功能上应该包括以：1）在系统组成上须包括：虚拟现实仿真应用软件开发平台和运行平台高性能图像生成和处理系统集成管理控制系统物流与生产仿真实训系统2）在系统功能上须具备：二次开发功能系统支持.vrp文件格式双通道立体显示、实时交互功能立体音效输出功能物流与生产仿真实训综上所述，一个完善的虚拟现实系统的建立必须满足上述的系统组成和功能技术要求。因此，为了能建立一套完整的、切实可行的虚拟现实实验室系统，我们也必须根据上述的功能、组成和技术要求，对虚拟现实实验室系统的建设进行总体的规划和系统设计，最终构建一套完整的虚拟现实实验室系统环境。四、场所布置规划五、系统从整体上必须满足以下整体的功能和技术要求：1.系统建成后须为一套完整的虚拟现实实验室系统，各个部分之间须能够支持实时连接和现场整体配套应用演示。2.整个系统为一个多通道的无缝大屏幕仿真投影环境，系统同时支持双通道立体投影显示和非立体投影显示，支持仿真软件的实时同步渲染和显示。3.系统必须采用Driectx三维图形标准和立体信号输出模式实现立体成像。4.系统支持仿真内容显示的同时，支持所有第三方Windows软件和其他数字媒体软件的大屏幕整体实时应用，在进行第三方Windows软件应用时，系统不需进行任何切换与重新设置。5.系统在进行非立体显示应用时,投影机须能在亮度无损的原始亮度5000流明状态下进行，立体和非立体显示时无须切换和设置。6.双通道投影系统采用柱面正投影方式，安装设计科学合理，符合计算机三维图形学原理（提供符合计算机图形学原理的光路设计图）。7.整个投影显示系统的每个通道分辨率须大于1024X768；原始高亮度不低于5000流明、色彩还原真实，图像无失真。8.系统采用先进的硬件图像边缘融合与曲面几何矫正技术，整个大屏幕系统亮度和色彩均匀一致，显示清晰，画面稳定，实现无缝一体化实时投影显示。调试后的系统，工作站的显示器图像不得出现融合暗区和图像变形。并且同时支持2D和3D模式曲面几何矫正，并可以随意进行2D和3D模式下的智能化矫正切换。9.系统可采用终端控制方式通过局域网方便地对整个大屏幕系统显示的虚拟场景进行应用操作、实时交互以及第三方模拟设备的接入应用。10.系统须配套基于人体部位运动的虚拟仿真人机交互应用软件，并支持数据手套、位置跟踪器等虚拟外设的多通道立体环境实时接入和应用。11.系统应支持双通道立体视频同步播放功能，并配套双通道同步播放器软件和双通道同步立体演示文件（自主开发，提供证明文件）。12.系统所有配套软件均需要供应商提供相应的知识产权证明或无产权争议的证明。13.系统须配套基于本系统硬件设备的仿真应用开发源代码及技术文档。六、该项目的实现包含以下几大部分1.物流仿真平台随着国家经济市场化进程的进一步加快、物流业也迅速了成长，对于在校仅局限于理论知识的学生来讲，如何才能高速有效地掌握专业知识，熟悉工作流程，满足岗位需求，这是学院迫切需要解决的问题为了提高物流专业学生的职业技能水平，培养适合社会需求的高素质的实用型人才,有校解决校内学习与实际工作之间存在的“断层”问题，构建虚拟现实物流仿真平台，让学生在企业真实物流平台上掌握专业知识、技能、能更好更快的融入工作环境当中。物流仿真平台需满足以下要求:能够支持典型的物流配送中心布局规划；能够支持物流配送中心布局的动态设计及调整；能够支持典型的业务流程，如果入库、出库、流通加工、补货、移库、盘点、越库等业务流程；能够支持典型的作业活动，如接单、入库理货、检验、搬运、上架、下架、出库理货、拣选等活动；能够支持多种全面的作业岗位，如入库理货员、出库理货员、搬运工、叉车司机、库管、拣选作业的相关岗位、质检员、客户服务人员等；能够支持多种作业方式，如基于单据、手持、数据采集器、自动化立库、电子拣选的作业；能够同时支撑中高职和本科教学的需要，支持本科教学时除具有业务操作功能外，还需具有管理优化功能，并引入竞争机制，如拣选方式选择（按订单拣货还是批量拣货）、行走路径选择、ABC分类等概念。能够支持货品、库存、货位数据与数据库的同步；能够支持作业数据前后访问的同步，如上一人员组好的托盘，下一人员可以看到；能够支持单项练习和考核，比如理货堆码托盘练习、地牛操作练习、叉车操作练习、堆高车操作练习、条码扫描练习、条码粘贴练习、打包练习、摘果拣选练习、播种拣选练习、配送装车练习；2、生产线仿真制造业作为我国经济发展的支柱，为我国经济的增长和国民生活水平的提高做出了极大贡献。与此同时机械加工、大型机械、高端精密机械的需求也与日俱增，这类机械的自主研发与生产成为我国由工业大国向工业强国转变过程中的一大主要课题。长久以来这类机械的研发与生产主要集中在美、日、德等发达国家，既有历史发展的原因，也有这类人才培养方面的原因。如何培养出这方面的高级人才，是我国教育界及整个社会一直在讨论的问题。这类人才包括专注于研发设计的人才，包括一线生产制造的人才，包括能够熟练使用和操作的使用人才等等。为何这类人才的培养这么困难？一，我国在这方面起步晚、底子薄，很多地方都受到发达国家的技术限制，对我们的人才培养和教育造成了很大的障碍。二，这类机械设备技术含量高、结构复杂，很难通过书本和抽象的理论，让学习者熟练掌握设计、生产、操作等方面的技术。三、这类机械设备投入大、价格高、技术壁垒多，很难通过大量引进来进行实践操作、学习仿制、培训等人才培养所需要的活动。生产线仿真需满足以下要求：工艺流程切换画面下方按钮，可快速切换到生产线不同工艺段系统设备属性查询；当鼠标放在设备热区处时，画面右上角会显示该设备属性生产线操作逻辑互锁判断；当某个按钮在得到操作指令后，系统会首先进行逻辑判断，如果不符合逻辑互锁条件，系统会进行报警提示操作提示信息；在操作面板左下角处会显示对应的操作提示信息生产线操作面板与实际面板基本一致，可通过点击生产线操作面板按钮，对生产线进行生产控制；变速箱的虚拟装配；3、虚拟现实平台软件行业飞速发展，现有的再全面的软件，也会随着行业的发展而被淘汰，有了虚拟现实平台软件，就可以在原有的物流管理平台上面，学校可以根据行业发展，企业需求对物流仿真软件进行二次开发，也可以自行开发。设备迅速更新，学校不可能花太大的成本在机械设备上面，不可能完全根据市场主流进行采购，虚拟现实平台软件可以对市场上所有的机械设备进行仿真，即节省了费用，也能让学生全面掌握相关机械设备。软件需具有以下功能:具有业内最高的实时渲染画质具有业内最大规模的场景组织和渲染能力（PC平台上）具有业内最大数量的多通道处理能力支持各种VR外部硬件设备支持立体投影支持实时机械装配模拟支持自动漫游、手动漫游，用户可自定义漫游轨迹支持骨骼动画、位移动画、变形动画支持刚体动力学、物流仿真模拟良好的交互特性高效、高精度碰撞检测算法功能强大的实时材质编辑器与3dsmax的无缝集成强大的界面编辑、独立运行功能简单实用的热区和动作定义强大的贴图格式批量转换和资源管理数据库关联嵌入IE和多媒体软件4、多通道环幕立体投影系统多通道环幕（立体）投影系统是指采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统，它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率，以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果，让没有经历过某环境的人，能完全获得进入这种环境的逼真感受。使得物流仿真平台，虚拟装配仿真以及二次开发的三维场景在立体的投影系统下，得以完全进行逼真的场景模拟。该系统可以应用于教学、视频播放、电影播放等。七、系统设计原则虚拟现实及物流、生产线仿真系统是一项系统工程，必须按照安徽工程大学的应用需求、场地环境、综合系统性价比，结合当今先进的虚拟仿真系统技术，在明确建设目标的基础上，进行全面合理的规划。在实施本虚拟仿真系统设计时，应遵循“积极兼容、安全可靠、先进实用、统筹规划、分步实施”的总体设计原则，所有的思路都在不违背以下几个原则的前提下进行设计规划：安全可靠性原则在本虚拟仿真系统设计过程中应考虑对系统安全性的要求，每台仿真主机都具有中心监督和管理能力，实时驱动视景，并充分考虑了设备和线路的容错机制及冗余能力，以发挥整个系统的最大优势，在设备选型方面，应优先选择具有良好质量信誉的品牌产品，并且在虚拟仿真系统中有过成功的应用案例，而且得到虚拟仿真领域的认可。经济性原则要从经济性着眼，在完成系统目标的基础上，力争用最少的钱办最多的事，出最大的效益。系统规划时根据核应急实际的需求、财力及投资水平，不盲目追求功能大而全，要注重经济实用。在满足应用需求的前提下，处理好各系统应用对平台性能的需求，尽量节省设备投资，并且能发挥系统应用优势。可扩展性原则可扩展性主要包括两个方面的内容：一是为提供将来新的仿真系统信息载体出现时的端口和新的分支预先作好硬件、软件和管理接口。二是系统平台必须具有升级能力，能够适应新技术发展的要求，从而为将来仿真领域升级到其他更新的技术作好准备。开放性和标准化原则系统平台采用开放式的体系结构，使本系统易于扩充，使相对独立的各子系统易于进行组合和调整。同时，设备要符合国际标准或工程标准，充分利用不同的应用和不同网络的优势，将它们有机地结合起来。先进性原则当前虚拟仿真系统技术发展迅速，新的设备不断涌现并趋于成熟，在满足实用性的基础上，起点要高，应尽量选用先进的技术及数码设施，目前在虚拟仿真界应用逐步广泛，整个系统考虑技术水