工控組態(tài)軟件三維監(jiān)控界面的研究與開發(fā).pdf

1、伴隨著DCS在工業(yè)過程控制系統(tǒng)的廣泛應用,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)代計算機控制系統(tǒng)的核心。然而,當前組態(tài)軟件構建的人機監(jiān)控界面存在著諸多不足,如人機交互性差、工藝流程畫面表現(xiàn)力弱、動畫呆板等。監(jiān)控人員長時間面對這種監(jiān)控界面,很容易產(chǎn)生視覺疲勞,導致誤操作。于是人們對組態(tài)軟件提出了更高的要求,希望能夠生成更加人性化、交互性強以及高效的人機監(jiān)控界面。 虛擬現(xiàn)實技術自從它誕生以來,一直受到

2、人們的廣泛關注。被應用到軍事、游戲制作、藝術等眾多領域。借助虛擬現(xiàn)實環(huán)境完成對工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控同樣具有十分重要的價值和廣闊的應用前景,它將改變現(xiàn)有工業(yè)組態(tài)軟件中簡單、枯燥的人機交互形式。 虛擬場景建模是虛擬現(xiàn)實應用中需要解決的一個重要問題。特別是針對工控組態(tài)軟件這種開發(fā)平臺來說,構建虛擬場景的關鍵在于能夠讓用戶已非編程的方式進行場景設計。而提供設備的三維數(shù)字化模型,讓用戶根據(jù)需要導入,是實現(xiàn)快速構建虛擬場景的有效方法。隨著現(xiàn)代工業(yè)

3、生產(chǎn)設備不斷的復雜化、多樣化,讓組態(tài)軟件提供所用設備的三維模型是不可能的。因此,提供給用戶一種操作簡單、易學易懂、方便快速的重建三維模型的方法,是開發(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)控效率的關鍵所在。 為此,本論文在分析了當前組態(tài)軟件開發(fā)平臺不足的基礎上,結合雙目立體視覺理論、虛擬現(xiàn)實技術和人機交互技術等領域的研究成果,提出了開發(fā)工控組態(tài)軟件三維監(jiān)控界面的觀點,并對其中的關鍵技術如虛擬場景三維模型的重建、人機交互

4、功能的設計等進行了研究。 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。針對傳統(tǒng)組態(tài)軟件在人機監(jiān)控界面上存在的不足和未來的發(fā)展,又結合工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的特點,在對虛擬監(jiān)控界面開發(fā)運行系統(tǒng)、人機交互接口、虛擬場景系統(tǒng)、虛擬場景實體建模、工藝流程仿真系統(tǒng)等進行充分的論證和闡述后,應用虛擬現(xiàn)實技術,提出適用于工控人機系統(tǒng)的組態(tài)軟件三維監(jiān)控界面框架體系。確定了軟件的開發(fā)目標、系統(tǒng)功能模塊的劃分和系統(tǒng)

5、開發(fā)的軟硬件環(huán)境。 (2)首先,提出了基于鄰域錨點的快速圖像拐角檢測算法。在此基礎上,又提出了基于區(qū)域和特征相結合的由粗到細的二次匹配策略。在第一次匹配時,引入拐角邊緣線方向約束和匹配強度計算函數(shù),僅對顯著性高的拐角進行匹配；在二次匹配時,通過調整拐角檢測的參數(shù),并引入Harries角點檢測,得到更多的特征點和角點。再利用首次匹配時計算出的基礎矩陣進行引導匹配。經(jīng)過真實圖像實驗和算法魯棒性測試表明,該算法降低了運算的復雜度,提高

6、了計算速度,解決了匹配點數(shù)目少和由于邊緣上匹配點少而導致重建出的模型輪廓不清楚的問題。 (3)提出了一種簡單的可用于實驗室環(huán)境下的基于對極幾何和主動視覺的攝像機標定方法。該方法運用主動視覺原理和對極幾何約束,推導出包括攝像機內外參數(shù),并能評價標定結果好壞的目標函數(shù),然后通過求其最小來得到標定結果。此方法只需控制攝像機做一次共面的平移運動,對硬件設備沒有特殊要求。通過大量的比較、模擬和真實圖像實驗表明,該算法在估計精度和魯棒性方面

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