网络环境下远程虚拟现实控制的关键技术和机理的研究

Virtual reality based networked control systems are built based on networked control, virtual reality and internet technologies. In this kind of systems, remote industrial scenes are reconstructed in three dimension (3D) vitual reality interface via internet and users are able to monitor and control the indutrial devices by operating on the corresponding 3D models. No matter anywhere anytime, as long as the internet is connected, users are able to use the web browser to login the virtual reality interface and work on the control devices located remotely, similar like the way they work on the local ones. However, with the disturbance caused by the network uncertainties such as the random time delay and data dropout, it is very important for the users to gain the sense of presence when they use the remote virutal reality platform. The coordinations of the 3D model movement, the virtual reality scene rendering and the means of 3D interaction are three important issues which affects users' sence of presence in the networked environment. This proposal studies the schemes and technologies for the interaction between the virtual reality and the practical systems based on the existing network uncertainy compensation algorithms proposed for conventional networked control. The information of the users' experience will be collected by the experiments and analysed using statistical methods. The research results will be of great value for the further development of the similar systems.

在网络化控制的基础上，融入最新虚拟现实技术，通过互联网在远程以三维漫游的方式复现工业现场的工作场景，并通过服务器系统建立数据链，实现虚拟现实和实体设备之间的实时协调同步，这就构成了基于虚拟现实的网络化控制系统。不论操作者在何时何地，只要连上网，就可以在虚拟现实界面中以类似于本地操作的方式，直观地监视和控制远程的实体设备。如何在存在随机网络延迟、丢包等不确定性干扰的情况下，让用户体验到类似在本地操作的现场感(Sense of presence)，是此类技术亟待解决的一个关键问题。本项目从模型运动的协调同步、场景的表达和网络化远程虚拟现实的操作方式这三个环节出发，借鉴网络控制理论中网络不确定性的补偿算法，研究互联网随机延时环境下的虚拟现实与实体设备的互动技术和机理。通过分组实验的方式，对用户体验信息进行定性和定量的分析，为此类技术以后的发展方向提供理论指导。

基于虚拟现实的网络化控制系统是在网络化控制的基础上，融入最新虚拟现实技术，通过互联网在远程以三维漫游的方式复现工业现场的工作场景，并通过服务器系统建立数据链，实现虚拟现实和实体设备之间的实时协调同步。在解决了随机网络延迟、丢包等问题的情况下，操作者通过网络就可以随时随地在三维虚拟现实界面中获得类似于本地操作的现场感。本项目借鉴网络控制理论中网络不确定性的补偿算法，研究了互联网随机延时环境下的虚拟现实与实体设备的互动技术和机理，提出了一种自适应算法，保证在三维复现准确连贯的情况下，最大程度地保证实时性，满足工业控制的要求。开发的基于HTML5的系统可以在所有主流浏览器上无插件、流畅地使用。结合模块化的设计理念和最新的HTML5技术，系统的各组件进行了更新与优化，提供了跨操作系统、跨平台的访问能力和移动端的虚拟现实实验操作能力。同时，开发的系统不仅可以支持教师的课堂演示，还能让学生课后随时随地自主进行远程实验，该系统综合模拟传统实验室的功能，例如远程操作，远程监控，远程设计算法和远程虚拟接线。基于学生在线实验过程与实验效果的分析，提出了基于在线实验室的综合多标准的学生实验工作的评估方法，提高了实验工作评估的客观性与可靠性。通过研究实验系统数据库信息、武汉大学教学管理系统课程评教数据、学生考试成绩以及问卷调查结果，量化分析了基于虚拟现实的远程控制现场感，综合研究了在线实验室的可用性、教育价值以及其对学生实验技能、学习兴趣和学习效果等的影响。本研究丰富和完善了远程实验室的框架，为其他远程控制实验平台的发展提供了参考与指导。