1、伴隨著DCS在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,監(jiān)控組態(tài)軟件作為DCS軟件系統(tǒng)的重要組成部分得到了飛速發(fā)展,已經(jīng)成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心。然而,當(dāng)前組態(tài)軟件構(gòu)建的人機(jī)監(jiān)控界面存在著諸多不足,如人機(jī)交互性差、工藝流程畫(huà)面表現(xiàn)力弱、動(dòng)畫(huà)呆板等。監(jiān)控人員長(zhǎng)時(shí)間面對(duì)這種監(jiān)控界面,很容易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞,導(dǎo)致誤操作。于是人們對(duì)組態(tài)軟件提出了更高的要求,希望能夠生成更加人性化、交互性強(qiáng)以及高效的人機(jī)監(jiān)控界面。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)自從它誕生以來(lái),一直受到

2、人們的廣泛關(guān)注。被應(yīng)用到軍事、游戲制作、藝術(shù)等眾多領(lǐng)域。借助虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控同樣具有十分重要的價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景,它將改變現(xiàn)有工業(yè)組態(tài)軟件中簡(jiǎn)單、枯燥的人機(jī)交互形式。 虛擬場(chǎng)景建模是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。特別是針對(duì)工控組態(tài)軟件這種開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)說(shuō),構(gòu)建虛擬場(chǎng)景的關(guān)鍵在于能夠讓用戶已非編程的方式進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)計(jì)。而提供設(shè)備的三維數(shù)字化模型,讓用戶根據(jù)需要導(dǎo)入,是實(shí)現(xiàn)快速構(gòu)建虛擬場(chǎng)景的有效方法。隨著現(xiàn)代工業(yè)

3、生產(chǎn)設(shè)備不斷的復(fù)雜化、多樣化,讓組態(tài)軟件提供所用設(shè)備的三維模型是不可能的。因此,提供給用戶一種操作簡(jiǎn)單、易學(xué)易懂、方便快速的重建三維模型的方法,是開(kāi)發(fā)和使用該軟件的前提,也是形成逼真虛擬環(huán)境,提高監(jiān)控效率的關(guān)鍵所在。 為此,本論文在分析了當(dāng)前組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)不足的基礎(chǔ)上,結(jié)合雙目立體視覺(jué)理論、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)等領(lǐng)域的研究成果,提出了開(kāi)發(fā)工控組態(tài)軟件三維監(jiān)控界面的觀點(diǎn),并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)如虛擬場(chǎng)景三維模型的重建、人機(jī)交互

4、功能的設(shè)計(jì)等進(jìn)行了研究。 其主要研究成果體現(xiàn)在以下方面： (1)提出了工控組態(tài)軟件三維監(jiān)控界面的框架體系。針對(duì)傳統(tǒng)組態(tài)軟件在人機(jī)監(jiān)控界面上存在的不足和未來(lái)的發(fā)展,又結(jié)合工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn),在對(duì)虛擬監(jiān)控界面開(kāi)發(fā)運(yùn)行系統(tǒng)、人機(jī)交互接口、虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)、虛擬場(chǎng)景實(shí)體建模、工藝流程仿真系統(tǒng)等進(jìn)行充分的論證和闡述后,應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),提出適用于工控人機(jī)系統(tǒng)的組態(tài)軟件三維監(jiān)控界面框架體系。確定了軟件的開(kāi)發(fā)目標(biāo)、系統(tǒng)功能模塊的劃分和系統(tǒng)

5、開(kāi)發(fā)的軟硬件環(huán)境。 (2)首先,提出了基于鄰域錨點(diǎn)的快速圖像拐角檢測(cè)算法。在此基礎(chǔ)上,又提出了基于區(qū)域和特征相結(jié)合的由粗到細(xì)的二次匹配策略。在第一次匹配時(shí),引入拐角邊緣線方向約束和匹配強(qiáng)度計(jì)算函數(shù),僅對(duì)顯著性高的拐角進(jìn)行匹配；在二次匹配時(shí),通過(guò)調(diào)整拐角檢測(cè)的參數(shù),并引入Harries角點(diǎn)檢測(cè),得到更多的特征點(diǎn)和角點(diǎn)。再利用首次匹配時(shí)計(jì)算出的基礎(chǔ)矩陣進(jìn)行引導(dǎo)匹配。經(jīng)過(guò)真實(shí)圖像實(shí)驗(yàn)和算法魯棒性測(cè)試表明,該算法降低了運(yùn)算的復(fù)雜度,提高

6、了計(jì)算速度,解決了匹配點(diǎn)數(shù)目少和由于邊緣上匹配點(diǎn)少而導(dǎo)致重建出的模型輪廓不清楚的問(wèn)題。 (3)提出了一種簡(jiǎn)單的可用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的基于對(duì)極幾何和主動(dòng)視覺(jué)的攝像機(jī)標(biāo)定方法。該方法運(yùn)用主動(dòng)視覺(jué)原理和對(duì)極幾何約束,推導(dǎo)出包括攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù),并能評(píng)價(jià)標(biāo)定結(jié)果好壞的目標(biāo)函數(shù),然后通過(guò)求其最小來(lái)得到標(biāo)定結(jié)果。此方法只需控制攝像機(jī)做一次共面的平移運(yùn)動(dòng),對(duì)硬件設(shè)備沒(méi)有特殊要求。通過(guò)大量的比較、模擬和真實(shí)圖像實(shí)驗(yàn)表明,該算法在估計(jì)精度和魯棒性方面

7、有較大提高,可很好地應(yīng)用到三維重建系統(tǒng)中。 (4)在適用于工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域的三維交互界面中,提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在虛擬漫游中基于檢測(cè)視線相交距離的智能碰撞檢測(cè)算法。本文利用模糊技術(shù)魯棒性好和在解決不確定性問(wèn)題上的優(yōu)勢(shì),將模糊邏輯應(yīng)用在根據(jù)碰撞檢測(cè)相交距離來(lái)控制視點(diǎn)移動(dòng)的速度上。測(cè)試結(jié)果表明,該算法解決了由于視點(diǎn)移動(dòng)速度固定帶來(lái)的難以捕捉較小的監(jiān)控設(shè)備、觀察儀表的數(shù)據(jù)等問(wèn)題,避免了視線“穿墻而過(guò)”的現(xiàn)象發(fā)生,從而提高了監(jiān)控和瀏覽效率,增強(qiáng)