虚拟人对虚拟环境适配性感知的试验研究——虚拟环境适人化设计举例.pdf

虚拟现实(VR)、虚拟样机(VP)、虚拟制造(VM)及 CAX 457
1 虚拟人对虚拟环境适配性感知的试验研究*
——虚拟环境适人化设计举例


赵江 1) 冯秀娟 1) 孙红三 2) 温文彪 1) 郑国磊 1)
1)(北京航空航天大学飞行器制造工程系,北京,100083)
2)(清华大学建筑学院,北京,100084)


摘要本文根据人的因素工程原理,采用眼椭圆方法,提出了三维物体视域判定算法。为解决
舱室结构设计与驾驶员的适配性,提出了虚拟设计适人化和虚拟人对虚拟环境感知的概念。以可视性和可
操作性作为判断依据,结合舱室中的静、动态元器件布局设计实例,试验研究了适人化设计过程及虚拟人
对虚拟设计判定、评估结果。

1 前言

当你以一种最舒适的姿态坐在驾驶位置后,摄相机录下你的体型姿态,计算机即可设
计出满足你要求的飞机驾驶舱或汽车、机车的舱室结构,这不是幻想,而是不久即将变成
的现实[1]。
目前我国正在开展的《中国虚拟人计划》除向人体内部细化,进行医学工程研究外,
其向人体外研究可应用于多种工程领域。[2]-[5]
本文在虚拟人对虚拟环境适配性感知研究的基础上,结合舱室设计,探索了虚拟环境
适人化设计的具体应用可行性,总结了具体实例的设计原理和步骤,给出了试验性设计结
果。
试验设计的前期工作:①建立起数字化、参数化、智能化的虚拟人系统[6][7]。该系统
所生成的虚拟人符合标准且具有真人的运动结构和操作功能。给定某个具体人的身高和体
重即可生成肢体、躯干比例适当、操作行为姿态逼真的虚拟人,包括眼位和左、右眼距。
②建立起三维结构设计系统。该系统可进行三维元、器件结构设计[8]。这两项前期工作可
以执行虚拟人在虚拟舱室中观察、操作。

*本文获国家自然科学基金(项目批准号:60074023)和国防科技预研基金(项目编号:00JI5·6·3·HK0128)
资助。
458 2003 全国系统仿真学术年会
以前期工作为基础,本文根据人机工程学原理和标准,实时进行舱室结构中元、器件
布局设计。虚拟人同时判定布局设计的可视性和可操作性,感知虚拟设计与人的适配性。
最后给出了试验性设计一评估实例。

2 三维物体视域判定计算[9][10]

驾驶舱室中元、器件布局设计是否合理,与驾驶员是否适配,对于驾驶员正确完成各
种控制操
作极为重要。人机工程学中视域划分如下:水平方向视域,10°以内为最佳视域,器
件放置于[-5°,5°]中可清晰辨认;30°以内为良好视域,器件放置于[-15°, -5°]和[5
°,15°]中需集中精力方可正确分辨,而操作员长时间集中精力将导致疲劳或错误分辨;
120°以内为最大视域,器件放置于[-60°,-15°]和[15°, 60°]中,头部不动,眼睛扫
视能看见。垂直方向视域,视水平线以下 10°以内,即[0°,-10°]为最佳视域,视水平
线以上 10°,向下 30°,即[-30°,-10°]和[0°,10°]为良好视域,视水平线向上 60°,
向下 70°,即[-70°,-30°]和[10°,60°]为最大视域。
若只根据上述规律布置舱室内不同应用类型的元、器件,