虚拟现实技术在人机工程中的应用要求标准研究

摘要：本文首先介绍了虚拟现实技术与人机工程的结合与应用，分析了人机工程及虚拟现实技术的标准化发展现状和趋势，然后研究了民用飞机人机工程应用中虚拟现实系统的一般要求和详细要求，最后给出了开展相关工作的意见和建议。
关键词：虚拟现实 人机工程 应用要求 标准研究

虚拟现实技术是在众多相关技术如计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、传感器技术、人工智能的基础上发展起来的。

目前虚拟现实技术已经获得了广泛的应用，而且日益普及。然而，如何在民用飞机人机工程学研究和应用中更好地利用虚拟现实技术，模拟人机系统的交互过程，以便对机器系统进行更为可信的分析、设计与评估，还需要开展相应的技术应用研究，制定相应的标准或规范来指导虚拟现实技术应用工作的开展。

1 虚拟现实技术与人机工程的结合与应用

虚拟现实技术是一种综合应用各种技术制造逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中视、听、触觉等各种感知行为的高级人机交互技术。人机工程学是研究系统中人与其他组成部分的交互关系的一门学科，并运用其理论、原理、数据和方法进行设计，以优化系统的工效和人的健康幸福之间的关系。

虚拟现实技术在人机工程中的应用，是为了解决某些产品设计、制造、运行等过程中的人机工程方面的问题，构建虚拟现实系统，建立虚拟的场景，利用输入输出接口进行人机交互，从而在虚拟的环境中模拟产品的某些过程，解决人机功能评价、性能验证等问题。一般来说，人机工程中的虚拟现实系统包括人的虚拟化（即虚拟人）、虚拟环境的构建、输入输出设备、虚拟现实的绘制等四个方面。虚拟现实技术和人机工程的结合应用，具体表现在以下几个方面：

1）在设计阶段，应用虚拟现实技术对人机工程设计中的产品设计和环境设计等进行仿真和评估。主要体现在工作空间测试与评估、布局设计的要求、人机界面设计、环境工效评估等方面；

2）在制造阶段，应用虚拟现实技术对产品零件的加工和装配过程进行模拟和分析，对加工工艺和装配过程的人机工程问题进行评估和改进。如通过加工过程的模拟，对工装的人机因素进行评估等；

3）在使用、维修、报废等阶段，利用虚拟现实技术对产品的运行、使用、维修、报废等各生命周期阶段的状况进行模拟，提高产品整个生命周期的人机性能。主要体现在运动学/动力学分析、碰撞分析、虚拟培训、虚拟维修等方面。

2 人机工程及虚拟现实技术的标准化发展现状和趋势

2.1 人机工程的标准化发展现状和趋势

现将从事人机工程及其标准化工作的主要标准化组织介绍如下：

1）国际标准化组织

国际标准化组织（ISO）中的人类工效学标准化技术委员会TC159在其专业领域内开展了卓有成效的工作，制定了大量的国际标准，截至目前共78项。近年标准制定的重点主要集中在SC4中的WG5（软件工效学与人机对话）和WG6（交互系统中以人为中心的设计过程）。

2）欧盟标准化委员会

欧盟标准化委员会（CEN）成立了人类工效学标准化技术委员会(TC122)，并根据技术发展的趋势不断调整其工作组（WG）。与此同时，欧盟发达国家积极参与国际标准化组织人类工效学标准化技术委员会的活动，与国际标准形成一体，并争取使ISO/TC159 采纳其标准和工作项目。近年来更多的精力放在了WG5人机交互的标准制修订上。

3）美国国防部

美国国防部成立了人机工程技术咨询组（DoD HFE TAG）。当前，美国国防部的人机工程技术咨询组将维持与提高人员绩效、更新人员绩效数据库及分析工具、系统模型中融入人员绩效、将人机工程纳入国防部政策及标准中等作为其四大亟待突破的领域。

4）国家人类工效学标准化

1980 年成立了全国人类工效学标准化技术委员会TC7主要从事人类工效学领域的术语、方法学以及人因素数据等标准化工作，与ISO/TC159 相对应开展相关标准化研究工作，协调与ISO其他技术委员会的工作，目前共制定国家标准50项，而大多是直接等同采用的ISO标准。

5）国防科技工业人机工程标准化

1984 年成立了第一个全国军用标准化技术委员会“人- 机- 环境系统工程标准化技术委员会”，大量引进和转化了先进、科学的国际标准和国外先进标准，并根据发展需要，制定了一批符合我国实际需求的标准，对国防科技工业标准化和整个国防建设的发展起到了积极的推动作用。

随着人机工程理论技术与应用的不断深入发展，标准化工作将取得更大的成果。人机工程标准化的发展趋势主要表现为以下三个方面：

1）逐步建立科学合理、健全完善的标准体系；
2）围绕着新技术对人机工程的旧有条款进行更新、整合；
3）针对新的应用技术和领域制定新的标准。

2.2 虚拟现实技术的标准化发展现状和趋势

目前国际标准化组织还没有成立对虚拟现实技术标准进行研究和制定的专门机构。主要的标准局限于国际虚拟现实技术协会制定的建模语言VRML等方面，另外可以借鉴和参考的就是关于多媒体技术、计算机技术等方面的标准。虚拟现实的一些方面如触觉、感知等技术还不具备制定通用标准的基础和条件。国内虚拟现实技术的应用才刚开始，目前还没有开展相应的标准化工作。

3 人机工程应用中虚拟现实系统的一般要求研究

虚拟现实系统的设计应选择合理的设计顺序和方案，多通道虚拟现实系统搭建步骤包括任务分析、确定系统类型和参数、选择硬件配置、搭建硬件平台、硬件调试、软（硬）件几何校正、区域融合（亮度、色度校正）、其他设备调试、工程应用等九个环节。虚拟现实系统应该注意规范使用、安全使用、日常维护等问题。虚拟现实系统的设备的检查和维修应有专业人员进行，并且维修过程中应遵守GB/T 9414《设备维修性导则》等标准。

4 人机工程应用中虚拟现实系统的详细要求研究

4.1 虚拟人的建模要求

通用的虚拟人数据应采用GB/T 13547—92《工作空间人体尺寸》中的数据；特定的虚拟人数据的测量应按照GB 3957《人体测量术语》和GB 5703《人体测量方法》的要求进行；应用专门的人体建模软件建模时，应严格采用人体测量数据进行建模，并对关键尺寸进行校验；利用仿真软件自带模型或者从图像、视频中提取建模信息时，应对照实际信息进行关键部分的校验；人体模型数据要求较高的情况下，应采用人体的三维扫描数据；人体数据比较复杂繁多的场合，应利用适当的数据库系统对人体数据进行科学的管理。

根据虚拟人的建模要求，合理地考虑骨骼模型和皮肤模型；建模过程应严格按照H-Anim标准进行。人体的行为模型应采用层次化的人体运动模型，建立固定在人体根节点处的固定坐标系和附在各关节点处的运动坐标系，对人的动作进行描述。人的运动学模型应严格遵守H-Anim 标准。虚拟人的动画存储应遵照MPEG－4标准。

4.2 虚拟场景的建模要求

虚拟场景中具有交互功能的物体建模，应优先使用基于图形的建模方式；交互性要求比较低的物体或景物建模，应使用基于图像的建模方式或基于图形、图像混合的建模方式；而当重点研究工作环境对人体的影响，特别是视觉方面的影响时，也可以采用基于图形、图像混合的建模方式；不宜在VRML 环境下直接建模；在人机工程应用中，应采用比较合理的三维建模软件进行建模，再转化到虚拟环境中。

4.3 虚拟现实系统的绘制要求

对于不同场景的绘制，视觉绘制系统的时间延迟应控制在可忍受的范围内，视觉绘制时间延迟临界值推荐为100ms，绘制系统的帧率不应低于10 帧/秒。视觉绘制系统应根据系统配置和应用特点，选择相应的图形学标准，使用过程中要注意图形学标准的通用性和功能的全面性。

听觉绘制方式的选择首先要考虑所要模拟的对象本身的要求，根据不同的场景要求采用不同的绘制方式。声音的生成设备要与声音的绘制方式一致。声音的存储方式应考虑绘制方式、通用性、易于编辑性等因素。

触觉的绘制应满足延迟性和安全性的要求。虚拟现实体验中模拟的物理接触根据不同的接触类型，选择向人体传递的信息。

4.4 虚拟现实的人机交互输入输出设备的一般要求

虚拟现实输入设备应符合ISO 9241-400 的要求。基于虚拟现实系统自身的特点，输入设备的选择要充分考虑人的特点；应及时地输入和反馈多种信息，以确保虚拟现实系统的沉浸性；应确保输入设备在一定的空间和时间范围内进行准确的输入；还要考虑抗干扰性、轻便性、兼容性、安全性和成本等逻辑属性。

视觉显示设备的选择应考虑沉浸性、跟踪技术和视觉表现属性三个因素。听觉显示设备的选择应考虑表现属性和逻辑属性两个因素。触觉显示设备的选择应考虑到表现属性和逻辑属性两个因素。

5 意见和建议

基于前面的分析和研究，建议今后从以下几个方面开展工作：

（1）尽快开展“虚拟现实技术在人机工程中应用的通用要求”标准的编制工作。大多数企业希望能够根据虚拟现实技术在人机工程中的实际应用情况制定具有通用性的指导意义的标准，来指导该技术在人机工程中的实际应用。

（2）研究编制虚拟现实技术在民用飞机人机工程中应用的系列标准。建议对虚拟现实技术的几个重要组成部分进行更加深入地研究与分析，编制出围绕着虚拟现实技术在民用飞机人机工程中应用的系列标准，形成包括通用要求、虚拟人建模要求、虚拟场景建模要求、虚拟现实系统绘制要求、虚拟现实系统输入输出设备要求等几部分。

（3）依据虚拟现实技术在民用飞机人机工程中应用的具体工程背景，可以从工程应用的角度开展特定应用领域的标准化研究工作。如数据存储与交换的接口标准、虚拟现实模型建库规范和产品可达域虚拟现实仿真一般要求等。

参考文献
[1] 姜国华、陈善广、周前祥、王春慧、张宜静虚拟现实技术及其在工效学研究中的应用. 应用技术2001.8
[2] 周前祥、姜世忠、姜国华虚拟现实技术的研究现状与进展. 计算机仿真 2003.7
[3] 陈逸凡面向人机工程仿真的虚拟人体控制技术. 浙江大学硕士学位论文 2006.3
[4] 涂晓斌、蒋先刚、刘二根虚拟人的运动建模与仿真. 华东交通大学学报 2006.8
[5] 余德友虚拟现实系统中的时间延迟问题研究. 系统仿真学报2006.8