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品　　牌：金凯亿德

产品型号：人机工程虚拟现实实验室解〗决方案

适用范围：高教 职教

所在地区：北京

人机工程虚拟现实实验室解决方案

1. 人机工程实▼验室整体设计

针对实验室需求，结合用户产品设计流程和现有先进技术手段，我们提供如下解决方案，

从应用角度看，主要有两大部分：硬件部分、软件部分。

软件：人机交互□　软件

硬件：图形工作〖站、虚拟现实数据头盔、惯性动作⌒　捕捉系统等

2、人机交互软件（Soergo）

2.1 产品定位

SoErgo定位于服务多数大型制造业企业，针对其关注高逼真度人机工程仿真和专业化人机工程分析的需求，提供创建基于中国标准人体测量数据的虚拟数字♂人体、与场景交互完成特定任务仿真、以及进行人机工◎程分析与评价的◤软件产品。同时，SoErgo也可以适用于科研机构进行人机工程仿真实验和分析。

2.2 产品结构

根据产品定位，可以将SoErgo按照功能结构划分成四个层次：中▲国标准数字人体、任务仿真、人机工程分析评价与基础功能。先建立中国标准数⊙字人体〖，然后进◣行任务仿真、之后再进行人机工程分析和评价。

中国标准数字人体包括人体模型创建、姿态调整、动作生成与时间轴动画生成等功能；任务仿真包括建立任务仿真场景、场景初始化、场景时间轴动画以及∞任务流程管理等功能；人机工程分】析评价包括基础人机工程分析、生理分析、任务分析等功能↓，然后将分析结果生成分析报告；基础功能包括①打开、保存、删除、打印、移动、视图、可视性、撤销、恢复等。

2.3 产品功能

SoErgo的核心概念包含三个部分：中国标准数字人体、任务仿真与人机工程分析和评价。

中国标准数字人体是根据中国标准化研究院提供的中国标准人体测量数据创建的数█字人体，可以满足♀后续场景交互、完成特定任◤务仿真以及人机工程分∞析的需要。任务仿真包括轻量化导入◥CAD模型、建立虚拟的场景并且在场景中与中国标准数字人体进行交互；人机工程分析评价包括基础性的可视性分析◇、可达性分析、舒适度分析◇，也包括受力█、疲劳、能量代谢等生卐理分析，同时还包括任务工时等任务分析。

除了上述↓核心概念之外，SoErgo还支持多种虚拟现实外设，包括动作捕捉系统、立体显示系统、数据显示头盔、生理数据采集设备、数据∮手套等。

2.3.1中国标准数字人体

中国标准数字人体包括两部分内︻容：中国标准化↑研究院提供的最新中国人体测量数据与多关节多自由度人体※模型。

2.3.1.1最新中国人体测量数据

中国标准人体库数据采用中国标准化研究院于2010年最新测量的中国成¤年人人体尺寸数据。新的中国标准人体库测量项目全面，达180多项，样本年龄跨度较大，采样●地区分布广；相比1988年的标准△数据，更贴近当今中国成年人的真实人体尺寸。

测量项目：测量依据为国家标准GB/T 5703《用于技术设计的人体测量基础项目》。

采样区域：为使采样样本具有代表性，人体测量需采用分层随机∩抽样。按照人类学观╳点，人体测量抽样区域将☆全国按照地域划分为六大自然区，分别为：东北华北区∑　、中西部区、长江下游区、长江中游区、两广福建区、云贵川区。

采样设备：人体测量设备需要采用国际上先进的非接①触式人体三维扫描仪器，同时结¤合手工测量的马丁测量仪器和二维图像扫描⊙仪。

利用中国标准化研究院提供的最新的人体〗数据，我们可以开发出中国标准人体库，其软件功能如下：

l 提供中国标准人体库接口，并以工具栏的形式在平台中调用。使用时，可在软件界面上可∞以选择不同百分位数，也可以手动输◤入身高、腰围、臂长♂等参数，动态调整人体模♀型；

l 对用户定制的人体模ㄨ型的管理功能；

l 具备对用户常用的人体仿真模型的管理功能，可将常用的人模加入到人体库中；

l 人体模型有相关属性信息，人模几何数据和属性数据保存在数据库中。

2.3.1.2多关节多自由度人体模型

采用“骨骼-关节-蒙皮”的结构来构▓建。其中，虚拟♀人体的骨骼、围度、关节角度等数据↘都来自于标准化研究院的最新人体测量数ぷ据。该人体模型具有以下特性：

l 不少于20个身体关节、40个身体自由度；不少于20个手部关节、40个Ψ手部自由度；

l 根据不同性别、百分位数来导入标准】人体；

l 修改百分位数来≡调整人体模型；

l 蒙皮后续可以按照用户的需求开发出不「同颜色的皮肤、不同种类的衣服。

2.3.2任务仿真

2.3.2.1 CAD模型轻量化导入

CAD模型由于其参数化设计的特性，因此无论是模型体量、数据量㊣以及面片数量都是极其庞大的，是无法满足虚拟现实实时仿【真的要求的。因此，在仿真之前，要针对CAD模型进行一定◤的处理工作，尽量的去简化CAD的模型以达到较高的渲染速率和仿真速度，否则将会对使用体验造成较大的影响，甚至于引起系统崩溃。CAD软件在绘制参数化¤模型时，首先将参数化的模型三角●化得到可渲染的三维模型，然后将这些三维模型传输到OpenGL或DirectX中进行绘制，最终显示到屏幕上。

模型轻量化方法是对CAD软件发送到OpenGL的数据流进行截取，获得CAD软件发送到OpenGL的□可渲染的三维模型数据。然后对这些数据■执行三角形面片简化的操作，进一步减少不必要的三角形。而后使用得到的三角形来生成条带化的模型数据。下一步根据三角形数据生成模型的三个级别的LOD模型，在较远的距离上启用更简化的LOD模ω型以加速渲染，此时获得了最终渲染所需要的所有数据。最终将这些数据通过多重□　优化的渲染流程渲染到计算机♂屏幕上。

通过抓取计算机图形底层数据，无需任何CAD格式转换许可即可实现快速深度的对CAD模型进行轻量化处理并导入虚拟现实仿真平台，保留样机必须的结构尺寸、密度、外部轮廓等几何外观数据信息，保持与原CAD模型1:1的尺寸比◣例，基本□　不需要手动轻量化模型即可应用于虚拟现实系统中进行人机工程仿真。其特点包●括：三维模型几何数据保存完好、逼真度高；无需进行CAD数据格式转换；三维模型导入速度快；三维模型轻量化程度高；提高大型装配渲染速率；提高跨部↘门、跨企业产品¤开发协同效率等。

2.3.2.2 姿态库

姿态库存储常用的姿态数据，可以通『过接口来调用、新建、调∏整以及删除人体姿态。软件内置常用的几十种人体姿态，如立姿、T型立姿、坐姿、跪姿等姿态数据。

除了姿态数据之外，还包括手势数据，可以通过接口来调用≡、新建、调整以及删除手势。软件内置常用的几Ψ 十种手势，如点击、握拳、张开、自然状态◥等手势数据。

2.3.3人体控制

通过对虚拟人关节角度的控制，实现虚拟人姿态的调整。有三种方式实现虚拟人的姿态调整。

2.3.3.1 手动直接调节

用户使用鼠『标在关节列表中选择↓任一关节，虚拟场景中相应关节上显示罗盘，然后用户按住罗盘的转动方向可以▓调节关节该方向上的转动角度值。

2.3.3.2 关节参数输入调节

在关节列表中选择任一关节，界面显示该关节的所有自由度及当前角度值。用户可以拖动任一自由度的滑杆，或者直接输入角度数值，改变该关节该自由度的角度值。

2.3.4时间轴动画

时间轴动画█主要用来进行动态的人机工程仿真。对于某些特定类型人机工程学的研究，只需一个静态的姿势来进行分析；但很多情况下，都需要研究人体运动以及交互所带来的影响，这就需要创建基于时间轴的关键帧动画来进行分▼析。

关键帧动画需要对目标对象（实体）进行关键帧㊣的设置，例如虚拟物体从位置A移动到位置B，那么只需要设置起始帧【（位置A）和结束帧（位置B），其运动过程由计算机根据关键帧自动插值；又例如虚拟人握着扳手拧螺栓，只需要设置拧动扳手的两个位置，手部运动也由计算机来自动插值。

除了◥对目标对象（实体）进行编辑之←外，还可以对时间轴进行编辑，调整每一段关键帧№动画的时长、起始时间、动画速度等。

对编辑完成后的关键帧动画，可以保存动画文件，也可以进行多种方式的输出，例如序列◣图片、不同格式的视频文件。

2.4.人机工程分析和评价

2.4.1可视性分析

可视性分析解决“看得到”问题。具体来讲是指从一个〖或多个位置所能看到的范围或可见程度。可视性分析一般从两个角度来进行：视距与视角。

2.4.1.1 视距与视角

视距过远或者过近都会影响认∩读的速度╳和准确性，而且观察距离与工※作的精确程度密切相关。而且根据进行任务的不同，最佳视距的范围也有所不同，需要根据实际的任务来确定。

根据人机工程学对人眼视野的分析，人眼在水平方向》的最佳视角为30°- 60°，垂直方向的最佳视角为30°- 40°。

2.4.1.2 视野分析

视野分▅析就是根据不同的任务来确定最佳视距和最佳★视角，然后根据这两个参数来绘制人眼的视锥。与此同时，还可以创建一个人眼的视窗，用来展⊙示当前视野范围，以及视野范围之内可见的物体。

视窗以及视锥的视距以及视角都可以手动输入。视锥的类型包括：双眼、左眼、右眼。左眼或右眼为虚拟人左眼或右眼出发的可视椎体，双眼为左眼和右眼的两个可视①椎体。生成的可视锥可以跟随虚拟人运动。

2.4.2可达性分析

可达性分析解决“够得到”问题。在进行可达性分析时，主要是依据相关人体测量数据来判断操作者需要操作的控制器▽是否在合理的范围→内。

目前较为常用的可达性分析方法是根据人体测量数据来确定一个可达域的曲面，通常称为可达域包括面。当前姿势下右手围绕肩关节运动所产生的可达域包络面，可以根据被操作部件是否位于该包络面内来判断右〗手到该部件的可达性。

2.4.3舒适度分析

舒适△度主要是指人的主观感觉，由于其影响因素与条件十分复杂，因此舒适度分析※是一个比较难量化的概念。在本平台中，舒适度不仅受振动、噪声、温度、湿度、照明等诸多因素的影响，而且还受到人们健康和心理因素的影响。因此我们可以将舒适度定义为大多数人△从生理与心理方面所达到满意的状态。

在软件中判断︾舒适度主要通过分析关节的角度来●进行。在调整人体姿○态时，身体的各个关节角度是否均处于合理范围之内，以人机工程学数据为依据，进行简单快速的比较分析，就◎可以给出当前姿态的舒适度评价结果。

表1给出人体各肢体生理活动范围和舒适度姿态︽的调整范围。根据⊙人体姿态关节角度所处范围的不同，可以¤给出不同的打分，例如在最佳范围之〒内是0分，在最大范围是9分，然后给不同的角度划分1~8分。

表 1肢体关节最大活动范围以及舒适范围

2.5分析报告生＠成

将不同人机工程分析工具的分析结果形成报告◤输出。

编辑报告所需¤信息以及简单设计报告样式，导入用户自定义dot文档模板，用户指定报告导出位置。然后调用评价准则体系中的数据进行计算，得出评价结果。报告最终生成pdf、html、word三种格式，word可加入自定义模板即dot文件。最◣终报告会以不同颜色标记出评价结果的不同等级，方便用户ω观察，并可以加载显示用户指定的特例图片。

2.6虚拟现实

软件对于虚拟现实功能的支持也十分强大，包括立体显示、数据头盔、动作捕捉系统、数据手套等。

2.6.1多通道立体显示

基于OPENGL图形标准，软件通过支持多个GPU（图形集群）达到支持多①通道显示的能力；同时，通过多个GPU（图形集群）对同一模型处理ω，不同视点渲染两次，交替输出为主动立体显示，同时输出为被动立体显示。

支持任意形式的投影系统显示方式，如：CADWall、PowerWall、CAVE、HoloSpace、弧形、球形、Dome等投影系统≡。同时还支持HTC vive、Oculus rift、Sony HMD等数据头盔。