增強半虛擬現(xiàn)實飛機座艙關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、相比于大型傳統(tǒng)飛行模擬器，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)構(gòu)建的飛行模擬器具有體積小巧，成本低，通用性強等優(yōu)點，近年來發(fā)展迅速，應(yīng)用前景廣闊。由于技術(shù)和硬件設(shè)備限制，該類仿真設(shè)備也存在人機交互性能低，難以或者無法完成某些復(fù)雜座艙交互動作等缺點。為此本文提出并實現(xiàn)了一種增強半虛擬現(xiàn)實飛機座艙技術(shù)，以實現(xiàn)自然和諧的人-座艙交互。本文主要研究內(nèi)容概括如下：
　　 1.增強半虛擬現(xiàn)實飛機座艙技術(shù)方案。針對現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實飛行模擬器中存在三維模型手視

2、覺效果不理想，電磁跟蹤器設(shè)備定位信號易受干擾，觸覺反饋不真實等問題，以基于圖像建模和渲染的圖像手取代幾何模型手，通過視覺定位進(jìn)行頭部位置跟蹤，設(shè)計半實物座艙保證用戶觸覺和力覺反饋，構(gòu)建出一個具有真實視覺、觸覺、力覺等的增強半虛擬現(xiàn)實飛機座艙環(huán)境。實驗表明，本文交互方案比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)手套交互技術(shù)方案時間效率提高50％，而且也無需數(shù)據(jù)手套和電磁跟蹤器等硬件設(shè)備，可明顯降低軟硬件開發(fā)成本并增強系統(tǒng)實用性。
　　 2.手勢自適應(yīng)分割與虛擬手

3、可視化。針對手勢分割過程中膚色檢測易受干擾問題，利用視頻相鄰幀之間膚色像素的連續(xù)變化特性對橢圓膚色模型參數(shù)進(jìn)行實時更新，實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)估計以增強檢測魯棒性。為使手勢輪廓更加精確平滑，將雙邊濾波算法引入到平面曲線平滑中，使手輪廓平滑同時能保持指尖等尖銳特征。為解決三維模型手視覺效果不佳問題，將手圖像融合到虛擬環(huán)境中實現(xiàn)虛擬手可視化。融合過程中同時對手圖像進(jìn)行視點校正，實現(xiàn)虛實視點一致，為用戶提供更加合理的視點圖像。實驗表明融合到虛擬環(huán)境中的

4、虛擬手運動特性和視覺特性與真實手完全一致，用戶沉浸感更強，更有利于交互動作的完成。
　　 3.基于正交攝像機的頭部位置跟蹤和虛實注冊。為解決現(xiàn)有電磁跟蹤器定位過程中易受外界環(huán)境干擾，成本高等問題，提出一種基于正交攝像機的定位方法，依據(jù)小孔成像原理進(jìn)行坐標(biāo)循環(huán)迭代，直至收斂到目標(biāo)真實位置。對比實驗表明正交定位系統(tǒng)收斂速度快，定位精度高，可滿足虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中高精度頭部位置跟蹤要求。虛實注冊過程中對多坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行了理論推導(dǎo)和

5、分析，擇優(yōu)選取測試數(shù)據(jù)，減小誤差以滿足交互需求。
　　 4.基于CAD數(shù)據(jù)的快速VR建模。三維幾何建模是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的基礎(chǔ)性工作，傳統(tǒng)手工方式建模工作量大，并且模型尺寸精度難以保證。本文對從CAD數(shù)據(jù)中提取出的網(wǎng)格進(jìn)行分類，并根據(jù)網(wǎng)格特點進(jìn)行針對性簡化，在二次誤差量度(QEM)簡化算法基礎(chǔ)上，引入三角形緊致性代價作為新頂點生成準(zhǔn)則對復(fù)雜網(wǎng)格進(jìn)行簡化。測試表明在相同簡化率條件下，經(jīng)本文算法簡化后的三角形網(wǎng)格形狀比QEM算法更合理

6、，模型渲染質(zhì)量更高，并且通過設(shè)定不同簡化閾值就可生成具有多細(xì)節(jié)層次的VR模型。經(jīng)本文方法生成的VR模型在面片數(shù)量簡化90％情況下，幾何外形和視覺基本無變化。
　　 本文最后通過構(gòu)建實際的增強半虛擬現(xiàn)實飛機座艙系統(tǒng)，對該技術(shù)方案的可行性和人機交互性能進(jìn)行了主客觀測試。主觀實驗表明本文虛擬手視覺效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)三維模型手，虛擬手外形特征(柔體變形和膚色紋理)與實際手完全一致，用戶視覺真實感更強?？陀^實驗測試發(fā)現(xiàn)本文方案完成交互動作時