人机工程中虚拟现实系统设计通用要求标准研究

李 鹏 李媛姗

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

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在人机工程中应用工作的开展。

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4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：

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。

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。

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

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）。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）。近年来更多的精力放在了WG5人机交互的标准制修订上。美国国防部的人机工程技术咨询组（DoD HFE TAG）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4大亟待突破的领域。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。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逐步建立科学合理、健全完善的标准体系，围绕着新技术对人机工程的旧有条款进行更新、整合，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。

2.3 国防科技工业企业在虚拟现实和人机工程方面的标准化需求

2007年8月21日～9月30日，中航工业综合技术研究所面向国防科技工业企业采用问卷调查的方式开展了虚拟现实技术在人机工程中的应用情况调研工作。从调研结果来看，在国防科技工业企业范围内，虚拟现实技术在人机工程中的应用基本上都处于起步阶段，大部分企业主要利用虚拟现实技术，绘制数字模型，对产品的设计、装配、工作过程进行模拟和演示，也有一些单位开始利用虚拟人模型，对人的可达域、可视域等进行评估。另外有一些单位，如航天科工集团第三总体设计部、船舶708所，成都飞机工业公司等，使用数据手套、跟踪器、三维鼠标等设备对人的动作进行模拟，用来评估产品的人机性能。

调查结果显示，接受调查的大部分单位都希望对在人机工程中虚拟现实系统设计进行规范，许多单位提出了相应的标准化建议，如虚拟现实系统的模型建立和转化技术、虚拟人的仿真效果、绘制系统的接口和文件存储方式、输入输出设备的选择和评价等。

3 人机工程中虚拟现实系统设计的一般要求

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设计步骤包括任务分析、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9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 人机工程中虚拟现实系统设计的详细要求

4.1 虚拟人的建模要求

通用的虚拟人数据应采用GB/T 13547—1992《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 3975–1983《人体测量术语》和GB 5703–1985《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100 ms，绘制系统的帧率不应低于10帧/s。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。

4.4 虚拟现实输入输出设备的要求

虚拟现实输入设备应符合ISO 9241–400：2007《人机交互作用的人类工效学.第400部分：物量投入设备的原理和要求》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。

虚拟现实输出设备主要包括视觉显示设备、听觉显示设备和触觉显示设备。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3个因素。听觉显示设备和触觉显示设备的选择应考虑表现属性和逻辑属性两个因素。

5 意见和建议

随着人机工程学和虚拟现实技术的迅速发展，两者的结合应用越来越密切，虚拟现实技术为人机工程的应用提供了更广泛而有效的技术支持。从两者的发展趋势和调查研究的结果来看，人机工程中虚拟现实系统的应用已经成为工程应用领域的一种新的发展方向，同时，在实际应用过程中，人机工程中虚拟现实系统设计的标准化需求也越来越迫切。结合本项目的研究，建议首先尽快开展“人机工程中虚拟现实系统设计通用要求”标准的编制工作，其次研究编制人机工程中虚拟现实系统设计的系列标准，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。最后依据人机工程中虚拟现实系统应用的具体工程背景，从工程应用的角度开展特定应用领域的标准化研究工作。

[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[J]. 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[J].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[J].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[J].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[J].系统仿真学报，2006.8.