组态软件三维虚拟场景快速构建技术的研究

摘要

随着科技的发展和工业化进程的加快，监控组态软件已经成为现代计算机控制系统的核心。针对传统组态软件人机交互性差、工艺流程画面表现力弱、动画呆板等诸多不足，课题组在研究如何把虚拟现实技术更加有效地应用到工业监控组态界面方面做了大量的工作，研究开发了虚拟监控场景组态运行原型系统，力图建立更加高效、人性化、交互性强的组态监控界面。本文在分析虚拟场景快速构建技术及其研究现状的基础上，以虚拟监控场景组态运行原型系统为研究平台，根据其运行机制，结合场景建模技术、三维拾取技术、人机交互技术、计算机图形学、虚拟现实技术等领域的研究成果，从组态功能的完善和新交互技术的应用两方面着手，以提高原型系统组态平台中虚拟监控场景构建的快速性为目标，着重就工业现场构建中耗时突出的三维管道连接组态问题，以及新交互方式和技术的探索应用方面进行研究和探讨。主要内容如下： ⑴重点解决了在三维管道连接组态过程中，待连接设备模型的优化和导入、管道起止端口的拾取与定位、管道路径生成方式和生成策略的设计、管道三维实体的显示生成、管道类型的选取确定、及管道路径的生成与切换显示等问题，有效降低了监控场景构建的难度，实现了三维管道的快速连接组态。 ⑵根据双手三维交互的认知特性和行为学特点，通过选取适当的交互设备组合，设计并分配了符合原型系统特点的交互任务。最终通过评估实验，分析验证了该交互方式可以减轻用户的操作记忆负荷，从而使交互过程更加自然，有效提高了虚拟监控场景构建的快速性。 ⑶所进行的研究工作既是虚拟现实技术在工业监控领域的应用扩展和功能完善，同时也为未来组态软件及相关三维设计、造型软件在场景快速构建方面的研究和发展作出了有益的探索。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2课题研究背景及意义

1.3国内外相关技术研究现状

1.3.1监控组态软件及虚拟现实技术的发展与应用

1.3.2虚拟场景快速构建的相关技术及研究现状

1.3.3三维管道组态技术的研究

1.3.4三维交互技术的发展

1.4论文的组织结构

第2章虚拟监控场景组态运行原型系统

2.1系统构建的目的和意义

2.2系统简介

2.2.1系统定位

2.2.2开发环境

2.2.3系统功能模块

2.3系统分析

2.4本章小结

第3章三维管道快速连接组态的研究

3.1待连接设备模型的优化和导入

3.1.1模型文件格式

3.1.2设备模型的建立

3.1.3 3DSMax模型优化

3.1.4模型导入的坐标系变换

3.1.5模型导入的初始参数优化

3.2管道起止端口位置的拾取

3.2.1三维定位与拾取

3.2.2通过节点名称拾取

3.2.3在三维组态界面中直接拾取

3.3管道路径生成方式和策略

3.4三维管道实体的显示生成

3.4.1导入管道预制模型

3.4.2运用WTK函数绘制管道实体

3.5多种管道生成路径的切换及显示优化

3.6本章小结

第4章双手三维交互技术的研究与应用评估

4.1双手操作的理论基础

4.1.1双手操作的认知特性

4.1.2双手操作的行为学特点

4.2双手非对称交互的设备组合

4.2.1三维交互设备

4.2.2双手非对称交互设备的选取

4.2.3二维鼠标的交互接口设计

4.2.4三维空间球的应用设计

4.3双手非对称交互的任务设计

4.3.1交互任务的层次结构

4.3.2交互任务分配的相关实验研究

4.3.3双手非对称交互的时间特征

4.3.4基于原型系统的交互任务设计

4.4交互任务实现的关键技术

4.4.1三维拾取

4.4.2设备模型对象的操作

4.4.3视点变换与控制

4.5可用性评估

4.5.1评估方法和技术

4.5.2评估实验的实施

4.5.3评估结果分析

4.6本章小结

结论与展望

本文的主要研究成果

未来工作的展望

附录：

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢