在智慧製造系統的研究開發實踐中，會遇到大量的人機互動（Human-Machine Interaction）和需要對機器裝置進行遠端操控（Teleoperation)的情況。很多數字化智慧化的工廠都具備了先進的人機互動系統和對裝置進行遠端狀態檢測、除錯和維護的能力。尤其是在高溫、有毒、高電離輻射等惡劣工況條件下，工程技術人員可以透過先進的人機互動和遙控技術對現場裝置進行操作，從而保護工作人員的身體免於損傷。人機互動和遠端操控技術具有大量的市場需求和廣闊的應用前景，相關的研究非常熱門。
隨著虛擬現實和 5G 技術的發展，為人機互動和遠端操控技術注入了新的技術元素。基於傳統技術的人機互動和遠端操控已經不能滿足人們的需求。作為納斯達克上市企業“微美全息US.WIMI”旗下研究機構“微美全息科學院”的科學家們認為，人們需要構建一個具有逼真視覺化效果，能夠與虛擬場景進行自然互動，在虛擬現實環境中對裝置進行遠端操控的系統。
以下是微美全息科學院的科學與技術的融合性觀點，對“虛擬現實環境下人機互動與裝置遠端操控關鍵技術”具有前沿性指導意義。
背景介紹
隨著“智慧製造”“工業 4.0”“工業網際網路”等概念的提出，相關的研究開始變得熱門。在製造業，工廠數字化、智慧化的改造升級也在如火如荼地進行。很多數字化工廠都具備了先進的人機互動手段和對裝置進行遠端狀態監測、執行、維護的功能。透過先進的人機互動和裝置遠端操控系統，工程技術人員、工作人員可以在舒適的辦公室甚至在千里之外的地方即可實現對裝置的執行狀態監測、除錯和維護，極大地提高了工作效率。尤其在高溫、有毒、高電離輻射等惡劣工況條件下，工程技術人員可以透過先進的人機互動和遠端操控技術對現場裝置進行遙控操作，從而保護工作人員的身體免於損傷。除了工業方面的應用，在外科手術中，醫生運用先進的人機互動和遠端操控技術可以實現遠端的手術操作，不但能讓遠在千里之外的患者享受到最優質的醫療服務，而且能大大減輕醫療人員的體力負擔。在太空探索中，藉助於人機互動和遠端操控技術，科學家不必冒著生命危險親自前往外太空，只需要在地面控制中心遙控操作遠在萬里之外的機器人。
虛擬現實技術提供了一種全新的檢視和操作三維資料的方式，為人機互動和裝置遠端操控系統注入了新的技術元素。虛擬現實技術使使用者能夠進入到計算機圖形系統搭建的場景中，並與其中的虛擬物體進行互動。隨著 HTC，Facebook 等科技公司的推動，虛擬現實硬體平臺和軟體開發平臺開始進入市場。其中，HTC 研發推出的HTCVIVE頭盔顯示系統具備大視場、高度沉浸感、高重新整理頻率、良好的互動性等優異效能。當下，VR已成為繼網際網路、智慧手機之後的下一個風口，世界各科技廠商都開始爭相進入 VR 市場，VR 相關的研究和應用正如火如荼地開展。
網際網路技術的不斷升級換代，網速和通訊可靠性不斷提高，為遙控作業系統提供了通訊技術條件。通常遙作業系統需要建立專門的通訊鏈路，隨著網際網路的效能提升，建立基於網際網路的遙作業系統成為了可能。尤其是隨著 5G 的全面鋪開，網際網路通訊的網速將達到 1Gbit/s，通訊的延遲將縮短為 20 毫秒以內。在 5G 支援下，人們可以在遙作業系統終端上，遠端駕駛自己的汽車，遠端操作家中的電器，遠端使用部署在遠端伺服器上的大型軟體，遠端操作大型的實驗器材。在工業生產中，的大部分裝置都可以接入網際網路，傳輸大量實時資料。工程技術人員在遠端操控現場裝置的操作體驗將顯著提升。
虛擬現實技術國內外研究現狀
虛擬現實技術（Virtual Reality,簡稱 VR），又稱靈境技術，是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，讓使用者能夠沉浸在虛擬空間中，如同身處實際場景中一樣。虛擬現實融合了多種技術包括模型構建和3D顯示技術，人體動作捕捉和感測器等技術。人機互動（Human–Machine Interaction），主要研究的是人機介面人對機器的操作方式和互動方式。人機介面是人與機器接觸的部分，包括手機電腦的軟體介面，各種裝置的控制面板都屬於人機介面部分。遠端操控（Teleoperation），是指透過有線或無線通訊手段，將控制指令傳遞到操作終端，在操控過程中包括對裝置資訊的實時採集和呈現，指令的編碼和傳輸等方面。將虛擬現實技術、人機互動技術和遠端操控技術相結合，實現在虛擬現實環境下的人機互動和遠端操控，國內外有很多相關的研究和實踐。
IBM、麻省理工學院和Heartport公司聯手開發的達芬奇手術機器人系統運用了多種人機互動和遠端操控技術。該系統採集人的操縱資訊、觸覺資訊，經過系統處理傳輸到機械手執行手術動作，機械臂的成像系統採集並放大視覺訊號傳輸至虛擬現實成像系統，將手術場景立體呈現給操作人員。該系統運用了系統介面、VR 立體成像、人體動作感測、觸覺感測等多種互動手段實現人機資訊傳遞。採用資訊實時傳輸和高速處理技術消除資訊傳輸和處理過程的延遲。採用精密伺服反饋控制系統和多種先進控制演算法程式實現對機械臂的精確控制。
日本豐田公司最新發布的 T-HR3 機器人系統，採用遠端操控的方式完全模仿人的動作。作業系統採集到人員的動作資訊，透過無線資料鏈路將人的動作資訊傳輸到機器人執行同樣的動作。機器人的視覺系統將採集到的視覺資訊回傳給操作人員，透過 VR 成像系統立體呈現給操作人員。
美國諾斯羅普•格魯曼公司研製的全球鷹無人機系統透過地面控制站實現人機資訊傳遞，資訊透過高速資料鏈傳輸至無人機執行，無人機的視覺感測器將採集到的資訊回傳至地面控制站，控制站將無人機的各項引數透過顯示面板呈現給操作人員。北京航空航天大學開發的用於飛行員訓練的虛擬現實系統，能夠使飛行員沉浸於虛擬機器艙環境，虛擬機器艙根據飛行員的操作實時繪製出虛擬場景，使飛行員具有和真實駕駛環境類似的人機互動環境，大大降低了飛行員的訓練成本。
從上述研究，可以提煉出虛擬現實環境下的人機互動和遠端操控的若干共性技術。這些技術可以歸納為對人資訊的採集，對機器資訊的採集，資訊的三維呈現和遠端控制等。機器視覺是資訊採集獲取的重要途徑。無論對人還是機器，透過視覺進行資訊採集都是資訊獲取的重要途徑。對機器視覺的研究最早是對二維影象的模式識別和分析。20世紀 70 年代隨著計算機的發展機器視覺的理論體系得以建立。Marr 建立了一套完整的機器視覺理論體系。Marr 的視覺理論將視覺處理分為二維資料採集、提取關鍵要素和三維重建。根據影象的點、線、曲率等要素及其各種要素間的關係，透過一系列的後期處理，恢復出場景的三維資訊。在 Marr 視覺理論的基礎上又發展出了帶有特徵拾取，資訊反饋，帶有目的的特徵識別等一系列的改進模式。
機器視覺系統的組成包括燈光系統、光電轉換系統、成像系統、影象加工模組。透過光電轉換將目標轉換為數字訊號，系統對數字訊號進行處理，形成畫素的灰度和彩色數字。根據數字訊號的特徵，獲得有用知識。在光源方面，通常針對不同的特徵提取需求採用不同的照明方案。在視覺系統中，有多種光照方式，包括反向照明、正向照明、結構光源和閃光等。反向照明指光源透過被照物體，光源的方向朝向攝像機。正向照明是指光源直接照射物體，物體的反射光被攝像機捕捉到形成影象。結構光源是具有一定形狀特徵的光源，例如線裝或點狀陣列光源，這些形狀照射在物體上會產生變形，系統根據變形資訊反推出物體的深度資訊。閃光是非連續光照，僅在攝像機拍攝時有短暫光照。CCD(Charge Coupled Device)和影象採集卡技術的進步，促進了機器視覺的應用。
隨著光電轉換器件的效能提升，元件越來越小，訊號的傳輸能力越來越強。以 PC(Personal Computer)機為中心的視覺系統中，需要藉助於顯示卡來對拍攝的影象進行處理，顯示卡能夠將影象數字化為畫素和灰度值資訊。提取複雜訊號的特徵需要藉助於多個步驟分步實現。首先要將關注的目標同背景區分開來。目標與背景差別比較小並且難以區分時，通常要對目標進行特徵放大和增強。特徵被放大增強以後就能夠同背景進行區分。把目標從背景分離出的方法包括：偽目標刪除方法、自適應閾值方法、逐步驟類方法、多資訊融合方法等。
目前，三維動作捕捉技術是研究的熱點。三維運動捕捉技術能夠可以測量、跟蹤和記錄物體在三維空間中的運動軌跡，不僅人體動作資訊採集，在很多研究領域都有著廣泛應用。三維運動捕捉技術的產生可以追溯到 20 世紀 70 年代，最初是由心理學家 Johansson在對人體運動的視覺感知研究中提出來的。20 世紀 80 年代以來，以 Calvert、Carol、Robertson 以及Walters 和 Tardif 為代表的教授和學者，先後對於三維運動捕捉技術進行了深入研究，推動了該技術的發展，使得該技術日趨成熟。
隨著虛擬現實技術研究的深入和相關技術的成熟，在虛擬環境中與虛擬模型進行互動控制成為了現實。虛擬現實涉及的技術領域很多，是一個多種技術共同發展的結果。虛擬現實技術涉及模型構建和 3D 顯示、人機互動、穿戴式感測器、機器學習等多個領域技術。利用虛擬現實技術，可以給使用者提供包括視覺觸覺聽覺甚至嗅覺的感官體驗，使參與者具有很強的身臨其境感。虛擬現實系統需要實時採集捕捉使用者的運動狀態資訊，從而生成相應的影象畫面投影到使用者的雙眼。該技術集成了 3D 顯示、模擬、機器視覺、機器學習、並行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。
虛擬現實的概念最早提出與 20 世紀中期。美國宇航局對虛擬現實的顯示屏和感測器等關鍵技術進行了研究，推出了 LCD(Liquid Crystal Display)顯示屏等先進技術，使虛擬現實技術得以發展。1968 年，哈佛大學開發了一種頭戴式顯示器，配合頭部動作捕捉系統，可以給使用者提供初步的立體視覺，這是虛擬現實技術研究的一項重要突破。之後的虛擬現實系統開發多基於這種架構。2015 年，HTC VIVE 公司研製的虛擬現實頭盔系統投入市場，代表著虛擬現實技術的研究已經從實驗室走向了市場。虛擬現實技術的研究也從理論研究轉為應用中具體問題的研究。
綜上所述，機器視覺、動作捕捉、VR 和遠端控制等技術不斷進步，達芬奇手術機器人和豐田 T-HR3 機器人等透過對上述技術的整合和系統整合實現了在虛擬現實環境下的沉浸式人機互動和對機器的遠端操作。在虛擬現實環境下的沉浸式人機互動將取代現有的滑鼠、鍵盤、顯示屏的人機互動方式。隨著相關研究和開發的進行和關鍵技術的突破，電影阿凡達中出現的那種遙控外星軀體的科幻場景將成為現實。
虛擬現實環境下人機互動與裝置遠端控制框架體系的結合
為了解決虛擬現實環境下人機互動與裝置遠端控制系統所需解決的資料採集、模型構建和顯示、人機互動、安全控制等難題，一種基於虛擬現實環境下人機互動與裝置遠端控制框架模型，如圖1所示。從邏輯上分析，該框架模型包括五個層次：硬體執行層、工業網路層、系統層、邏輯控制層、使用者操作層。這些層次之間有一定的邏輯或業務互動關係，每個層中又包含若干安全控制機制與方法，形成一套完整的虛擬現實環境下人機互動與裝置遠端控制邏輯架構體。
（1）硬體執行層
硬體執行層為系統的硬體構成，主要執行來自虛擬現實系統中的 UI 介面模組發來的各種生產指令。在智慧製造車間，工業機器人、數控機床、加工中心、3D 印表機、智慧 AGV(Automated Guided Vehicle)小車和工人等形成智慧人機叢集。這些裝置的執行狀態資訊由資料採集裝置負責採集，經過資料處理將資料提供給虛擬模型的載入和顯示模組。
（2）工業網路層
工業網路層是將虛擬現實系統底層的現場控制單元和智慧生產裝置互連的實時工業通訊網路，常見的有基於現場匯流排、工業乙太網等技術手段進行工業裝置網路通訊，它包括有線傳輸方式與無線傳輸方式。有線傳輸方式一般基於現場匯流排、工業乙太網等，採用 Profibus、Profinet、TCP／IP 協議等多型別的標準，高速度、高頻寬及高可靠度的網路傳輸通道。無線網路傳輸方式如工業無線感測器網路，進行資料傳輸及感測器連線，不需要現場佈線，方便快捷，但是網路頻寬及傳輸可靠性較差。
（3）系統層
系統層是指執行與硬體層之上的系統軟體。它是虛擬現實環境下人機互動和裝置遠端控制系統框架模型的中間核心層，透過系統層可實現在虛擬現實環境下對智慧裝置的安全可靠的遠端監視與控制。主要功能有資料採集、裝置控制、通訊管理、模型驅動、3D 顯示、系統安全管理等。在本模型中，系統安全管理的典型功能有數字簽名、對稱加密、非對稱加密、安全機制等。
（4）邏輯控制層
邏輯控制層是系統的業務邏輯關係。主要處理來自使用者操作層對系統層的操作指令，對相關資料進行處理。該層主要包括業務過程的邏輯控制、資料處理與演算法最佳化等。主要模組有指令執行、資料處理、業務互動等。
（5）使用者操作層
使用者操作層是實現使用者與軟體系統互動、對硬體執行層釋出各種指令的介面，它由各種應用系統介面介面、多型別使用者終端裝置（例如資料手套、攝像頭、VR 眼鏡等）、多種工業 API 介面等。
虛擬現實環境下裝置遠端控制系統分為多個層級，包括客戶端層、智慧裝置層、Server 層等。如圖2所示，控制系統主體為基於 OPC(OLE for Process Control)的客戶端/伺服器結構。系統每一個層級都可以包含資訊互動、指令執行和安全控制等模組。例如在智慧裝置層，資訊互動模組實現了智慧裝置的人與機器的會話，機器與機器的會話，機器與網路的會話以及對複雜資訊的處理等功能；指令執行模組可實現Server發來的各種指令的執行，如刀具更換、各運動軸變速、開關門、裝置開關機等操作指令；安全控制模組具有對裝置控制指令進行數字簽名、對稱加密和非對稱加密等功能。
為實現在虛擬現實環境下遠端操控工業裝置，建立了一套完整的系統。機器視覺、虛擬現實和遠端控制等多項技術的發展，為這樣的系統構建提供了很好的技術支撐。為使各項技術能夠協調配合更好地適用於所要建立的系統環境，還需要對各項技術進行綜合運用和最佳化改進，系統構建步驟如圖3所示。
如圖3所示，在步驟 1 構建系統的資料採集系統。資料採集系統為系統提供資料饋送支援。現場多種裝置的狀態資訊，透過資料採集系統獲取，根據這些資料來驅動虛擬模型。然後藉助於視覺標記間接獲取裝置運動資訊的資料採集方法。
在步驟 1 進行視覺標記設計、識別和定位相關技術的研究。
步驟 2，完成場景實時構建和 3D 顯示。在步驟 1 中獲取到的現場裝置資料，透過步驟 2 以三維視覺化的形式呈現。步驟 2 主要研究場景的實時構建、快速載入、動態運動，虛實同步等問題的解決。最後研究 3D 顯示的實現方案和在虛擬現實環境下的互動方案。
步驟 3，搭建一個低延時、安全遠端控制系統，並實現系統與被控裝置的軟硬體連線。在虛擬現實系統中，UI 介面產生的操作指令透過遠端控制系統傳送至終端裝置並被執行。在該步驟中研究解決通訊延遲、通訊安全和基於 PLC 的終端控制系統搭建問題。
步驟 4，將步驟 1 至 3 中所研究和提出的解決方案，以及建立的系統模組進行系統整合與測試。該部分採用資料快取檔案的方式實現系統模組間的連線。最後對系統及其各模組進行執行測試，完成系統的構建。
研究展望
諸多的技術發展，已經為構建一個虛擬現實環境下的人機互動與裝置遠端操控系統創造了很好的條件。人們希望將虛擬現實和網際網路 5G 等新技術應用於數字化生產製造領域。然而整合這樣的融合了軟體、電子、機械諸多學科的複雜系統，還需要對各項技術進行最佳化改進。研究人機資料採集、場景實時建模和 3D 顯示、低延時安全遠端控制等關鍵技術，並整合關鍵技術，開發的虛擬現實環境下的人機互動和裝置遠端操控系統能夠進一步提升了人機互動體驗和遠端操控效率，同時改進的關鍵技術問題具有普遍的適用性，對進一步提高智慧工廠的自動化、智慧化水平具有很好的參考價值，具有大量的市場需求。
微美全息科學院成立於2020年8月，致力於全息AI視覺探索科技未知，以人類願景為驅動力，開展基礎科學和創新性技術研究。全息科學創新中心致力於全息AI視覺探索科技未知, 吸引、集聚、整合全球相關資源和優勢力量，推進以科技創新為核心的全面創新，開展基礎科學和創新性技術研究。微美全息科學院計劃在以下範疇拓展對未來世界的科學研究：
一、全息計算科學：腦機全息計算、量子全息計算、光電全息計算、中微子全息計算、生物全息計算、磁浮全息計算
二、全息通訊科學：腦機全息通訊、量子全息通訊、暗物質全息通訊、真空全息通訊、光電全息通訊、磁浮全息通訊
三、微整合科學：腦機微整合、中微子微整合、生物微整合、光電微整合、量子微整合、磁浮微整合
四、全息雲科學：腦機全息雲、量子全息雲、光電全息雲
以下是微美全息科學院的部分科學家成員：
張婷，美國西北大學博士後，香港大學博士，海外高層次人才孔雀計劃C類，主要從事VR/MR關鍵技術研發應用和複雜服務系統最佳化等研究，發表全息專利5項。獲全國＂挑戰杯＂創業計劃大賽 湖北省一等獎，華中科技大學一等獎。
姚衛，湖南大學計算機科學與技術工學博士，主要研究方向：憶阻神經網路及其動力學行為，應用於：影象處理、安全通訊。基於VDCCTA具有長時記憶特性的憶阻器電路及其構成的神經網路。參與設計基於憶阻器的神經網路系統模型。基於憶阻器的仿生物神經元和突觸連線的微電子電路設計，參與基於憶阻器的神經網路系統模型的設計與動力學行為的分析。
彭華軍，博士，畢業於香港科技大學顯示技術研究中心（CDR），從事矽基液晶器件、AMOLED材料與器件、TFT器件、顯示光學等研發工作。彭博士一直從事資訊顯示領域前沿工作，涵蓋電檢視像色彩管理、AMOLED生產製造、微顯示晶片設計與製造、投影與近眼顯示光學等。彭博士在國際刊物上發表20篇文章。已申請近50項中國發明和美國發明專利，其中10項美國專利和20項中國發明專利獲得授權。
陳能軍，中國人民大學經濟學博士、上海交通大學應用經濟學博士後，廣東省金融創新研究會副秘書長、廣東省國際服務貿易學會理事。主要從事文化科技和產業經濟的研究，近年來在版權產業領域研究方面有較好的建樹。近年來先後主持、主研“5G時代的數字創意產業：全球價值鏈重構和中國路徑”“深圳加快人工智慧產業發展研究”“貿易強國視角下中國版權貿易發展戰略研究”，“文化科技融合研究：基於版權交易與金融支援的雙重視角”等省部級課題多項，並在《商業研究》《中國流通經濟》《中國文化產業評論》等核心期刊發表論文多篇。
潘劍飛，香港理工大學博士學位，現為廣東省高校“千百十工程”人才，深圳市海外高層次人才，深圳市高層次人才、深圳大學優秀學者。研究領域主要為自動化+VR 應用、先進數字化製造、 數字製造全息孿生工廠、機器人等。主持多項國家自然科學基金專案、廣東省科技計劃專案和廣東省自然科學基金專案。
杜璵璠，北京交通大學光學工程博士，取得與顯示產品相關專利20餘項，發表期刊文章3篇，曾打造全球最高解析度的8K*4K 的VR產品，並提出了採用光場顯示技術，解決VR輻輳衝突問題；推出首款國產化率100%的單目AR眼鏡，第一次聯合提出基於未來空間資訊的非接觸式互動的作業系統概念（System On Display），在運營商體系進行虛擬現實數字產業合作。
伍朝志，深圳大學光機電工程與應用專業博士，研究方向主要為精密/微細電解加工，發表過多篇期刊論文和會議論文，獲得三項相關專利，曾參與國家重點研發計劃 、國家自然科學基金重大研究計劃重點專案等。
丁茹，中國社會科學院，數量經濟研究所的技術經濟及管理博士，從事大資料與數字經濟、創新發展研究、科研專案管理等領域，主要研究領域為科技服務、產業經濟研究、技術創新與創業。任山東省技術市場協會副秘書長，擅長整合創新資源、拓展創新業務和創新產業規劃和產業經濟，參與虛擬現實技術應用方面的相關創新研究和產業資源對接。
以上是微美全息科學院一小部分科學家成員，有意加盟微美全息科學院的國內外博士均可發郵件簡歷到：[email protected]。凡有志向做全息科學研究的任何個人或單位，亦可向此郵箱發表個人科學論文以獲得科學研究資金資助。
微美全息科學院旨在促進計算機科學和全息、量子計算等相關領域面向實際行業場景和未來世界的前沿研究。建立產研合作平臺，促進重大科技創新應用，打造產業、研究中心深度融合的生態圈。微美全息科學院秉承“讓有人的地方就有科技”為使命，專注未來世界的全息科學研究，為全球人類科技進步添磚加瓦。
微美全息成立於2015年，納斯達克股票程式碼：WiMi。
微美全息專注於全息雲服務，主要聚集在車載AR全息HUD、3D全息脈衝LiDAR、頭戴光場全息裝置、全息半導體、全息雲軟體、全息汽車導航、元宇宙全息AR/VR裝置、元宇宙全息雲軟體等專業領域,覆蓋從全息車載AR技術、3D全息脈衝LiDAR技術、全息視覺半導體技術、全息軟體開發、全息AR虛擬廣告技術、全息AR虛擬娛樂技術、全息ARSDK支付、互動全息虛擬通訊、元宇宙全息AR技術，元宇宙虛擬雲服務等全息AR技術的多個環節，是一家全息雲綜合技術方案提供商。
