三维图形的人机界面

发布时间：2013-09-29 作者：华镕 罗克韦尔自动化（中国）有限公司

        简介
        制造业的系统中包括了为产品整个生命周期的开发、生产、交付的产品、设备、人员、信息系统、控制和支持功能。
        企业目标除了满足市场需求同时还要降低生产成本。工业和汽车制造商在产品开发过程所有阶段，正面临着众多的挑战——缩短开发周期、管理全球供应 链、激烈的竞争和日益复杂的产品。他们需要的解决方案，是能帮助他们将产品更快地推向市场，且更便宜和更多的功能。
        实现这些目标的最佳策略是采用开放工业标准，在硬件级别集成多系统，从依赖单一供应商情况解放出来，选择最新的软件工具，建立一个可以缩放并能保持至少五到十年的体系结构。
        自动化过程控制一直使用简单的二维（2D）图形，这是多年来一直使用的方法。把最优化的三维（3D）图形引入过程控制应用，很多企业都看到升级现有系统能够带来增加值。现代可视化应用是将3D图形技术应用到大量的工业解决方案中，满足多个行业客户实际需求，包括：汽车、楼宇自动化、天然气与石化；食品及药物、水和污水处理等等。

图1 2D 汽车的HMI 图形

        在HMI的显示上包含3D图形能更快地学习过程控制系统，更好地理解基于3D图形的操作， 因为他比2D更好地代表现场的情况。把过程数据叠加到三维模型不仅增强了HMI数据显示背景的自然性，而且在精确的地方看见发生了什么。
        目前发展的水平：3D产业的演变
        今天，有多家公司为越来越多的 3D内容制作者提供3D软件工具、插件、预生成3D数据和各种服务。 一个由成千上万3D爱好者、专业工程师和程序员的全球性社区正利用3D 技术进行产品开发、原型制作和工程分析。
        是什么因素造成这个3D生态系统的持续发展？有三个基本变化正在进行：3D软件的日益普及和一致性；不断增长的全球影响力降低了原型的成本；以及越来越多的预制作的3D内容。
        用于创建3D 内容的软件现在日益丰富。在此之前，大型、多用途的3D软件包，诸如Softimage公司的XSI和 Autodesk公司的3ds Max和Maya主导了商业工具市场。今天，出现了专注3D 产品的独立公司，为许多要求的功能提供解决方案，针对特定需求进行技术优化。
        特定软件因为符合特定行业的标准而在垂直市场获得青睐。随着标准数量的增长，文件格式，如COLLADA或3DS已经成为模型与产品之间转换方式，消除了3D协同的障碍。
        自从人们开始使用3D设计软件，与其他3D用户分享经验的欲望一直强劲。今天，3D工程师之间的互动在 一个更大的规模——互联网上发生，已经形成了非常大的网上社区。在几十家在线社区，每天24小时，3D工作的进步在介绍和评论，技术的优势在讨论和分享。

图 2 3D 汽车的HMI 图形

        在今天的大学课程中，3D的内容日益增加，专业办公室创建了功能强大的门户，介绍了大量使用3D技术的亲手制作。这个动手经验要大大超越从3D图片中所接收的被动感受。多项研究表明，操作员认为3D图形图像的元素比2D工艺流程图更好。因此许多公司一直在开发工业的3D解决方案：
        ■ Autodesk 的发明家（Inventor）：是一个扩展框架，支持AutoCAD，提供3D原型制作，允许用户对现有产品进行修改，几乎没有任何研究和先前开销。
        ■ 空间公司的HOOPS 3D应用框架（Application Framework）：为3D应用和完整的应用编程接口（API）提供了一个核心图形基础设施和完整的功能，API可以访问集成组件的一组强大套件。
        ■ DeskArtes ViewExpert®：提供用于查看、验证、测量和通信3D CAD数据文件的工具，如STL、VRML.ZPR和IGES格式。
        ■ 谷歌的3D模型库（Warehouse）：提供来自Google 3D建模程序的DAE和草图模型。以及许多其他解决方案，满足不断增长的市场需求。
        对于专业应用，快速原型或虚拟原型设计已经成为产品和工艺研究的行业标准。对于实时运行图形HMI/SCADA软件，采取了说明，已经从可视化仿真行业转移到对文件存储加载3D几何嵌入高效渲染算法。这些算法允许HMI/SCADA 软件实现多种特性，如原型模型的多边形还原，以优化他们用于实时观看。用呈现当前桌面的高效模型和Web可视化技术，HMI/SCADA软件的3D显示能力不仅在工艺画面和运行图表，更在于对现实世界的视图操作。操作员可以通过从任何角度查看所有资产，系统带来的报警事件信息也都以3D视图呈现。
        随着SCADA软件把数据带入生活的能力提高，3D人机界面可进一步情境化数据 ，把一个互动的、带有实时数据和动画的运行画面带给操作员。
        今天和未来的HMI/SCADA软件不仅能提供过程控制和数据的可视化，而且会用3D模型显示实时、真实的设备资产。
        3D增强了实时可视化
        3D可视化能够使HMI应用程序受益，提供真正生命的形状、形式、流程和其他细节，这些细节在用传统的2D方式观察时会丢失。有了3D模型，一组图像或动画能够更好地与想法、过程或产品进行交互。当需要将想法提交给一个潜在客户时，多数的最佳方式都是用3D的形式。我们生活在一个3D的世界，我们的眼睛和大脑用来看到和感知深度、透视和形式。
        产品都以3D的形式问世、交付。工艺和技术不断改进，无论是在功能还是可视化，都是在3D环境下展示，特别是当环境还可以模拟实际工作条件下的过程——不应该是一个简单的2D绘图。
        从技术上讲，3D图像是处理大量数据可视化和保持系统全局视觉的最好方式。这的确是展现大量的异构信息最自然的方式 。
        在HMI上用3D显示可以带来下列好处：
        ■ 降低生产成本和减小将产品推向市场时间；
        ■ 加快复杂的决策过程；
        ■ 查看产品的概念，每个阶段的设计和开发；
        ■ 减少依赖于2D绘图解释，以避免生产失误；
        ■ 易于理解的可视化计划容易操作；
        ■ 在大规模生产前，从不同的角度展示工业环境和产品特性。
        使用3D显示可极大地提高设计质量， 因为它是一个比2D设计更完整的过程。作为结果，许多用传统2D设计方法发生的错误是可以避免的。
        这使3D HMI解决方案成为一个强大的商业工具：可以快速沟通复杂的问题，降低成本和错误率，使协作更加高效和灵活。
        利用先进的技术
        随着64位、多核、多处理器计算的发展；引入新的64位 操作系统和对高性能64位应用程序的需求，现代可视化解决方案为客户提供最大的可销售性，可靠性和灵活性。
        从底层设计，利用 OPC-UA通信标准、.NET管理代码和SharePoint®技术，最新的HMI解决方案允许从工厂现场和业务设施到企业商务系统的连接。
        OPC统一架构（OPC-UA）是对基于COM /DCOM经典OPC标准通信协议非常成功的扩展。 OPC-UA允许最佳品种的实时、报警管理和历史数据库系统的互操作。这使得工厂现场的标准模型与企业集成。任何当前使用OPC通信的工业或设施控制系统，可以很容易添加最新的OPC-UA 应用程序到现有系统，给他们提供的 Web服务，增加企业的连通性。下一代的OPC数据访问（DA）、OPC报警和事件（A&E）和OPC 历史数据访问（HDA）允许从工厂和设施安全、开放地连接到企业层，展示了基于标准的下一代通信。

图3 微软NET 3.0 堆栈

        今天，工业和制造业解决方案，可最大限度地利用最先进技术开发的图形硬件芯片通过DirectX10加速，与视窗表现基金会（Windows Presentation Foundation，WPF）集成，用于富2D和3D的HMI应用。
        WPF是 .NET框架 3.0中的一个图形子系统，使用一个被称为XAML（可扩展应用标记语言），用于富用户界面的开发。使用WPF特性的HMI应用程序有下列收益：
        ■ 支持基于矢量的图形；
        ■ 支持3D模型渲染和 2D应用程序互动；
        ■ 叠加在3D表面的2D内容交互；
        ■ 卸载一些图形任务到计算机图形卡的图形处理单元中。
        XAML带给WPF的具体优势为XAML是一个完全的声明性语言。作为结果，开发人员（或设计师）描述的行为和组件集成无需编程。这使没有传统编程经验的人，可以创建整个应用，无需编程。
        虽然整个应用完全用XAML建立是罕见的，XAML的引入使应用设计人员的精力能更有效地贡献给应用开发周期。使用XAML来开发用户界面还能分离模型与视图，这被认为是一种良好的架构原则。
        结论：把人机界面提升到新的水平
        下一代工业自动化软件的目标包括给用户：迅速而有效地创建HMI集成显示、实时制造数据和商业信息。
        为了在今天的HMI中充分利用先进的3D图形，制造及设备控制操作员对传统的2D图形进行扩展和改进，通过把实时的3D图形纳入到控制HMI的显示中，最终减少设计和生产工作流之间的差距 。 
        建立于高性能图形硬件子系统的基础上，未来的人机界面系统（HMI）系统在配置和整体操作方面需要更高的水平。有3D图形的HMI给今天的制造及设备控制设计带到了一个新的认识水平。现在需要的是自动化的软件工具， 使设计、原型设计和HMI可视化系统的自动生成成为一个简单的过程。