1.4.2 实现数字化人机工程设计的关键技术
实践表明，要实现数字化人机工程设计技术的数字化人机工程设计需要解决如下几个关键技术问题。
1．面向数字化产品开发各环节的数字化虚拟人体模型的构建技术
人体特性参数是人机工程数字化设计不可或缺的基础，主要包括人体形态尺寸（静态尺寸和动态尺寸）参数、人体惯性参数、生物力学性能参数、热物理特征参数、热生理参数、人体动态特性参数、人体感知特性和心理特征，以及人体生理机能特征等。在人体形态尺寸参数测量方面，传统的人体测量数据库都不含有三维人体形体数据，因此在建立人体模型时，只能利用多个现有人体测量数据库，或者利用专门设备进行采集和补充。为了适应数字化人机工程设计技术的发展需要，基于工程领域的逆向工程技术原理的三维数字化人体测量技术得到很大发展。目前，发展和应用人体形态尺寸参数的技术主要是非接触式三维数字化测量技术，其中有代表性的是Vitronic、Cyberware和Telmat等。Cyberware数字化仪由传感器（光学系统）、计算机、SCSI标准接口及Cysurf处理软件构成，平台有3个自由度（X，Y，Z），伺服电动机驱动，典型的分辨率为0.5mm。Cyberware全身彩色3D扫描仪主要由DigiSize软件系统构成，能够测量、排列、分析、存储、管理扫描数据，不仅可以采集人体数据，而且还可以协助进行人体建模。发展人体其他特性参数的数字化测量方法或测量数据的数字化处理方法也是十分重要的工作。
（1）数字化虚拟人。数字化虚拟人即将人的结构、生理学或行为学的任何数学表达式看成人的模型，包括医用虚拟人和工程上的数字化虚拟人两大类。
①医用虚拟人是利用人体断层扫描的CT或者MRI成像技术，将人体的每个组织构建成一个三维数据库，然后利用计算机做出人体的三维解剖图形模型。
②工程上的数字化虚拟人能表示人在计算机生成空间（虚拟环境）中的几何、物理、生理及运动特性。
数字化虚拟人不仅在医学、生物学、环境设计等相关领域获得很多应用，而且在人类活动的许多方面也存在多层次的巨大应用需求，比如军事、人机环境工程、服装、娱乐、传媒、虚拟现实、汽车、体育以及文化艺术等方面，如表1.1所示。
表1.1 数字化虚拟人及其应用领域
（2）数字化虚拟人的特点如下。
①在计算机生成的空间与时间内，数字化虚拟人可以有自身的几何模型、物理（含力学和热力性质）特性、生理与行为特性。
②可以与周围的环境交互作用，感知并影响周围环境。
③虚拟人的行为可以由计算机程序控制，如智能体（agent）；也可以由真实人控制（通过遥现技术、动作捕捉技术），如化身（avatar）。也就是说，数字化虚拟人之间或数字化虚拟人与真实人之间可以通过自然的方式交流（通过遥现技术、动作捕捉技术）。例如，可以用人类口头语言或肢体语言（手势）进行交互。但不论何种情况，其行为都必须表现出与真实人一致的特征。
（3）数字化虚拟人的应用领域。数字化虚拟人体模型可应用于航空航天、军事、交通、建筑、家具、影视、教育、训练、监控、通信、医学、体育、服装、文化交流等领域。可见，人体模型的应用具有无限广阔的空间。以航天航空领域为例，数字化虚拟人体模型可以在航天航空器的概念设计阶段的人机界面上进行评估，还可以对航空航天器件的可维修性进行仿真与预测等。
①在一般的工业产品设计领域应用。在包括机械设备在内的工业产品设计和制造企业，人机环境工程技术已得到了广泛应用。尤其在产品设计领域，人机标准数据库、三维人体模型以及一些简单的人机环境软件系统已被广泛应用于设计过程，并作为检验和分析产品设计方案与人机环境关系的工具。人机环境工程研究的是如何使机器设备与操作环境的设计更适合人的生理和心理特点，让人在操作中感到舒适和便捷，提高工作效率。
②在运载工具（装备）设计领域应用。在运载工具设计中，虚拟人作为人体碰撞检测模型，结合有限元分析方法可以模拟各种交通事故对人体意外撞伤的实验研究，以及防护措施的改进。运载工具制造商可以利用虚拟人来测试安全装置的安全程度、座椅的舒适程度，可以模拟运载工具驾驶过程中乘员的振动舒适性和热舒适性等。
③在军事领域应用。虚拟人在物理刺激下的反应也应用在军事研究上。自1996年开始，美国橡树岭国家实验室开始进行虚拟人创新计划，将人类基因组计划与可视人计划的研究成果结合起来，完成人体的物理建模，模拟人体器官组织和整体在外界物理刺激下的反应（如胸部在钝器打击下的弹塑性变形）。
④在航空航天领域应用。飞行器设计中的人机环境工程研究包括驾驶舱的布局设计、人机界面的设计等。美国NASA和宾夕法尼亚大学计算机与信息科学系联合开发的JACK软件系统，经历了10多年时间，收集了上万人的人体测量数据。波音公司也曾利用虚拟现实技术进行虚拟座舱的布局，实现了高水平的实际座舱布局设计。虚拟人数据来自真实的人体数据，可以模拟人在航天器座舱中的运动和操作，使驾驶舱布局等的设计更加符合航天员的实际需要。
⑤在服装设计与展示领域应用。虚拟服装设计广泛用于立体时装设计与服装工业、三维电影、电视和计算机广告特技制作等领域。通过网络，顾客与设计师共同利用人体三维服装模型进行二维服装衣片的设计，并把服装衣片缝合后穿戴在三维人体模型上。服装网络展示与销售系统已经在服装业得到了广泛应用。消费者只要上传自己身材的相关数据和所选服装的类型信息，网站就可以计算出顾客的形体特征，然后给虚拟的顾客试穿所选款式的服装，顾客在自己的计算机终端看到服装穿着的动态效果，进而选择最合适、最满意的服装。
（4）数字化虚拟人体建模与仿真。数字化虚拟人体模型是数字化人机工程设计技术实施的关键。与创建产品和环境的三维虚拟图形不一样，数字化虚拟人必须像真人一样，能够执行诸如行走、抓握、运送、施力等自然、合适和连贯的动作，这些要被设计人员感知到，从而评价整个设计目标。
根据复杂程度和应用目的的不同，数字化虚拟人体模型一般可以分为棒模型、二维轮廓模型、表面模型、三维体模型和层次模型等。在层次模型中，一个虚拟人体模型由基本骨架、肌肉层和皮肤层构成，有时也加入一层服饰层，表示虚拟人的头发、衣饰等人体装饰物品。其中的基本骨架由关节确定其状态，决定了人体的基本姿态，是建立人体运动模型的基础。肌肉层确定了人体各部位的变形，皮肤变形受肌肉层的影响，最后由皮肤层确定虚拟人的显示外观。
目前，主要数字化虚拟人体建模仿真技术有：①与计算机视觉、图形图像技术相结合的数字化虚拟人的几何模型（棒模型、表面模型、三维体模型和多层的复合模型）构建技术；②数字化虚拟人的弹簧-阻尼-质量力学模型构建技术；③多刚体模型构建技术；④神经-肌肉-骨骼系统模型构建技术；⑤基于数字人体图像的模型构建技术；⑥基于人工神经网络的模型构建技术等；⑦与运动学、医学相结合的能量模型构建技术；⑧与数学相结合的数理统计模型构建技术等。
本书将在第6章、第7章介绍几种常用的建模方法。
2．数字化虚拟人的动作（运动）或行为的控制
虚拟人的动作（运动）或行为控制在数字化人机工程设计中十分重要，因为它是人机系统使用者的化身，需要在虚拟的人、机、环境系统中完成相关的操作或任务，由此来评判实际人机系统工效的各项指标，这涉及虚拟人在人机系统工效设计分析与评估应用过程中的驱动方式。研究的思路是建立虚拟人的关节及骨架模型，将人体模型看作各部分由关节顺次连接而成的一系列开式运动链，组成一个树结构，每一层关节的运动由其父关节确定。在通常情况下，人体的关节只有微量的平移（一般忽略不计），因此，数字化虚拟人的关节模型均是旋转关节，并分为3种类型：单自由度关节、双自由度关节和三自由度关节。三自由度关节中，3个关节对应按照一定旋转顺序的欧拉角的3个角度，称为关节变量。在某一时刻，具有n个自由度的虚拟人体模型中，n个关节变量决定了虚拟人的运动状态，人体运动的连续动画就是由这n个变量所决定。
数字化虚拟人的动作（运动）或行为控制研究的目标是实现数字化虚拟人完成典型操作时上肢、下肢的动作等自然动作同自然人相似（初级“神似”），也叫虚拟人运动控制或动作规划。由于人体具有200个以上的自由度，能够完成非常复杂的运动，所以其动作（运动）或行为的模拟就是数字化虚拟人研究中必须解决的重要课题。迄今为止，在理论研究方面，数字化虚拟人的运动控制方法主要有关键帧法、正向和逆向运动学法、基于约束或非约束的多刚体动力学法等。此外，基于不同的控制方式，又有不同的划分方法。例如，按交互方式的不同可以划分为沉浸式控制方法和非沉浸式控制方法；按驱动数据的来源又可以分为基于数据捕获技术的真人控制方法和基于程序动作生成（算法）的控制方法。
相关内容将在第5章介绍。
3．人机工程设计的数字化评估方法与标准规范
人机工效学评价也是系统评价的一种形式。周前祥教授给出了人机工效学评价的定义：人机工效学评价是根据系统（产品）设计的工效学要求，针对目标任务的技术要求和环境条件，选择合适的受试者，对设计方案或产品实体进行工作空间、操作可达性、观察可视性、操作可靠性等方面的评定，给出相应的结论，并且在结果分析的基础上对不符合工效学设计要求的项目进行改进的过程。
从上面的定义可以看出，人机工效学评价具有以下3个方面的特点。
（1）多因素和多指标。对一个系统（产品）而言，涉及的因素众多，结构比较复杂，其目标不但有工效方面的指标，也有安全可靠性方面的指标，而且还有研制过程中技术实现可能性等方面的要求，同时涉及诸如失重、工作空间狭小、辐射、噪声、振动、温度、湿度等环境因素，因此，在评价过程中应综合考虑，以得出一个科学的结论。
（2）定性与定量分析相结合。在工效学评价指标体系中，既有定量指标，又有定性指标，这也是系统特点所决定的。
（3）动态分析和迭代改进相结合。在一个系统（产品）研制的不同阶段（如方案、初样、正样等阶段），其人机工效学设计本身是一个动态过程。由于不同阶段的目标不一样，例如，方案阶段确定产品的分配基线（如功能特性、可靠性、人机特性等），初样阶段和正样阶段确定产品基线（产品规范、工艺规范、材料规范以及产品的技术状态、验收方法等）。通过人机工效学评价，应实现从方案设计阶段到产品研制阶段系统（产品）的工效性能迭代改进，使之最终向符合人机工效学设计要求的目标推进，确保最终实现设计目标。
4．数字化虚拟人体模型与产品、环境数字化模型的集成技术
数字化产品开发的整个周期中，要想使人机工程设计得到计算机的有效支持，需要多种人机系统计算机辅助设计技术工具的支持，如计算机辅助人体热舒适性设计与评估、计算机辅助振动与噪声分析、计算机辅助辐射计算分析、计算机辅助环境光照设计等工具等，这些工具分别用于数字化产品开发的不同阶段，因而存在各领域CAx、DFx（面向x的设计）与人机工程设计的CAEx技术（这里的x表示人机特性测量、人机几何设计与运动仿真、人机静动态特性分析、人体热舒适性分析、人体辐射分析等，所以CAEx称为计算机辅助人机x技术）间的信息集成问题。与此同时，数字化产品开发是遵循并行工程思想的，所以还存在对开发过程、开发数据和资源等有效管理的并行工作机制，以实现开发过程集成。目前，已商品化的CAEx均能提供与CAx、DFx进行数据转换的接口标准。本书第10章将介绍数字化产品开发平台框架下的CAEx与CAx、DFx的数据转换接口标准以及通过PDM/PLM实现CAEx与CAx、DFx过程集成的方法。