工控组态软件三维监控界面的研究与开发

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1、北京工业大学博士学位论文工控组态软件三维监控界面的研究与开发姓名：庄春华申请学位级别：博士专业：检测技术与自动化装置指导教师：王普20080301摘要伴随着DCS在工业过程控制系统的广泛应用，监控组态软件作为DCS软件系统的重要组成部分得到了飞速发展，已经成为现代计算机控制系统的核心。然而，当前组态软件构建的人机监控界面存在着诸多不足，如人机交互性差、工艺流程画面表现力弱、动画呆板等。监控人员长时间面对这种监控界面，很容易产生视觉疲劳，导致误操作。于是人们对组态软件提出了更高的要求，希望能够生成更加人性化、交互性强以及高效的人机监控界

2、面。虚拟现实技术自从它诞生以来，一直受到人们的广泛关注。被应用到军事、游戏制作、艺术等众多领域。借助虚拟现实环境完成对工业现场的监控同样具有十分重要的价值和广阔的应用前景，它将改变现有工业组态软件中简单、枯燥的人机交互形式。虚拟场景建模是虚拟现实应用中需要解决的一个重要问题。特别是针对工控组态软件这种开发平台来说，构建虚拟场景的关键在于能够让用户已非编程的方式进行场景设计。而提供设备的三维数字化模型，让用户根据需要导入，是实现快速构建虚拟场景的有效方法。随着现代工业生产设备不断的复杂化、多样化，让组态软件提供所用设备的三维模型是不可能

3、的。因此，提供给用户一种操作简单、易学易懂、方便快速的重建三维模型的方法，是开发和使用该软件的前提，也是形成逼真虚拟环境，提高监控效率的关键所在。为此，本论文在分析了当前组态软件开发平台不足的基础上，结合双目立体视觉理论、虚拟现实技术和人机交互技术等领域的研究成果，提出了开发工控组态软件三维监控界面的观点，并对其中的关键技术如虚拟场景三维模型的重建、人机交互功能的设计等进行了研究。其主要研究成果体现在以下方面：(1)提出了工控组态软件三维监控界面的框架体系。针对传统组态软件在人机监控界面上存在的不足和未来的发展，又结合工业监控系统的特

4、点，在对虚拟监控界面开发运行系统、人机交互接口、虚拟场景系统、虚拟场景实体建模、工艺流程仿真系统等进行充分的论证和阐述后，应用虚拟现实技术，提出适用于工控人机系统的组态软件三维监控界面框架体系。确定了软件的开发目标、系统功能模块的划分和系统开发的软硬件环境。(2)首先，提出了基于邻域锚点的快速图像拐角检测算法。在此基础上，又提出了基于区域和特征相结合的由粗到细的二次匹配策略。在第一次匹配时，引入拐角边缘线方向约束和匹配强度计算函数，仅对显著性高的拐角进行匹配；在二次匹配时，通过调整拐角检测的参数，并引入Harries角点检测，得到更多

5、的特征点和角点。再利用首次匹配时计算出的基础矩阵进行引导匹配。经过北京丁业大学T学博士学位论文真实图像实验和算法鲁棒性测试表明，该算法降低了运算的复杂度，提高了计算速度，解决了匹配点数目少和由于边缘上匹配点少而导致重建出的模型轮廓不清楚的问题。(3)提出了一种简单的可用于实验室环境下的基于对极几何和主动视觉的摄像机标定方法。该方法运用主动视觉原理和对极几何约束，推导出包括摄像机内外参数，并能评价标定结果好坏的目标函数，然后通过求其最小来得到标定结果。此方法只需控制摄像机做一次共面的平移运动，对硬件设备没有特殊要求。通过大量的比较、模拟

6、和真实图像实验表明，该算法在估计精度和鲁棒性方面有较大提高，可很好地应用到三维重建系统中。(4)在适用于工业监控领域的三维交互界面中，提出并设计实现了在虚拟漫游中基于检测视线相交距离的智能碰撞检测算法。本文利用模糊技术鲁棒性好和在解决不确定性问题上的优势，将模糊逻辑应用在根据碰撞检测相交距离来控制视点移动的速度上。测试结果表明，该算法解决了由于视点移动速度固定带来的难以捕捉较小的监控设备、观察仪表的数据等问题，避免了视线“穿墙而过"的现象发生，从而提高了监控和浏览效率，增强了操作的真实感。(5)对工控组态软件三维监控界面的原型系统进行

7、了开发，提供了对虚拟场景进行组态和运行监控的基本功能。在此基础上，结合工业应用背景～北京燕山石化公司的整颗粒银催化剂微型反应器评价系统，使本文研究成果在模拟实际中得到了仿真实验。本文的研究工作既是对虚拟现实技术在工业监控领域的应用，又是对监控组态软件未来发展的一种有益的探索。关键词：虚拟现实；立体视觉；三维重建；人机交互AbstractTheindustrialmonitoringconfigurationsofhvareisanimportantpartofDCSsoftwaresystem．Itmakesrapidprogress

8、alongwitllthewideapplicationofDCSinprocesscontrolsystem．Andithasbecomethecoreofthemodemcomputercontrolsystem．H