伴随着DCS在工业过程控制系统中的广泛应用,监控组态软件作为DCS软件系统的重要组成部分得到了飞速发展,已经成为现代计算机控制系统的核心。然而,当前组态软件构建的人机监控界面存在着诸多不足,如人机交互性差、工艺流程画面表现力弱、动画呆板等。监控人员长时间面对这种监控界面,很容易产生视觉疲劳,导致误操作。于是人们对组态软件提出了更高的要求,希望能够生成更加人性化、交互性强以及高效的人机监控界面。 虚拟现实技术自从它诞生以来,一直受到人们的广泛关注。被应用到军事、游戏制作、艺术等众多领域。借助虚拟现实环境完成对工业现场的监控同样具有十分重要的价值和广阔的应用前景,它将改变现有工业组态软件中简单、枯燥的人机交互形式。 虚拟环境的人机交互不同于传统的WIMP图形交互技术,除了多通道交互手段这个特点之外,还有的一个鲜明特点是虚拟环境中采用六自由度输入设备的交互方式。由于自由度的增加,使得三维交互的复杂性大大提高。其次,窗口、菜单、图标和传统的二维光标在三维交互环境缺乏空间感,同时也使得交互过程非常不自然,交互操作任务很难方便地执行,因此,交互方式的改进,甚至提出新形式的交互成为重要的研究课题。 为此,本论文在分析了当前虚拟环境的人机交互技术不足的基础上,结合虚拟现实技术、人机交互技术,以及智能控制等领域的研究成果,开发出更具人性化,模拟自然交互方式的人机交互平台,并对其中的关键技术进行了研究。主要成果为： (1)实现了一种智能化创建三维虚拟场景平面导航图的方法,开发出灵活,实用的平面导航图,增强了三维监控界面人机交互的能力。总结常见的平面导航图的创建方法,分析他们的优缺点,并根据虚拟场景建立的快速性需要,设计了一种满足该要求的导航图的创建方法,开发出具有指导自动化工作人员虚拟漫游,以及完成目标查找任务的平面导航图。实验证明该方法能自动根据场景建立相应的平面导航图,并能根据场景的改变而实时变化。 (2)在适用于工业监控领域的三维交互界面中,设计并实现了一种在虚拟漫游中基于检测视线相交距离的智能碰撞检测算法。本文利用模糊技术鲁棒性强和在解决不确定性问题上的优势,将模糊逻辑应用在根据碰撞检测相交距离来控制视点移动的步长上。这方法改变了以往三维虚拟场景以固定步长漫游的呆板性,它能实时检测漫游者视线与物体的距离,并根据该距离实时调整漫游步长,提醒漫游者改变方向,解决了由于视点移动速度固定带来的难以捕捉较小的监控设备、观察仪表的数据等问题,以达到更好的监视控制场景设备的目的。 (3)针对三维虚拟场景中,交互操作复杂多样,精度低等缺点,实现了一种基于装配约束语义的三维虚拟场景快速组态方法。该方法通过对装配特征自动识别,解决了三维模型之间的精确连接,以及模型的精确摆放等关键问题,从而实现了三维虚拟场景快速组态。与此同时实现了一种新的三维虚拟场景的保存方法,与三维虚拟场景快速组态技术一起提高了工控组态软件三维监控系统的通用性,以及可扩充性。 本文的研究工作既是对虚拟现实人机交互技术在工业监控领域的应用,也是对监控组态软件未来发展的一种有益的探索。