一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，通过虚拟现实平台将水电站三维模型与CAVE显示系统进行整合，通过虚拟现实平台编写交互逻辑功能程序，赋予静态的水电站三维模型交互的能力；该培训系统的仿真体系架构包括：数据层，用于构建厂区厂房及周边环境的三维模型、厂房内部设备机组的精确三维模型以及用于提供具体的培训业务内容；平台层，用于为培训对象提供虚拟仿真环境；应用层，所述应用层利用虚拟现实平台将数据层的模型数据、培训业务数据与平台层的仿真系统进行整合，实现场景漫游功能、设备认知功能、透视展示功能、剖切展示功能、设备拆解功能、设备安装功能、信息呈现功能以及虚实交互功能。

A simulation training system for hydropower station maintenance based on Virtual Reality Technology

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统
本专利技术属于水电站检修仿真培训
，具体是一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统。
技术介绍
虚拟现实技术(VirtualReality，VR)又称灵境技术，近年来VR技术在研究领域十分活跃，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术高层次的集成和渗透。因此，虚拟现实是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。近年来，得益于前沿技术虚拟现实的发展，借助虚拟现实技术，受训者在水电站检修培训中有了更好的实践体验。虚拟培训相较于传统的课堂式集中上课更能及时反馈出问题，相比于教科书、PPT资料中难懂的文字描述和需要考验学生想象力的平面图，虚拟真实的场景更能直观的表达和传递更多的信息内容。水电站培训的过程更强调实操培训和注重实践能力。但传统的实训教学不可避免地遇到场地环境和人员安全等问题，培训实行起来有一定的难度。为了提高学员在工作中遇到的各种情况的应变能力以及承受能力，同时在保证人员安全的情况下，借助虚拟现实技术设计开发相关的培训系统，让学员在虚拟的环境下进行培训，体验创新的培训形式。目前基于三维可视化引擎研发的培训系统基本上属于以下几种形式：1、使用三维引擎，在图形工作站PC端研发相关系统，交互设备采用鼠标键盘等方式进行；2、使用三维引擎，借助虚拟现实头盔当作交互外设，用户可通过虚拟现实的头显置身虚拟场景当中，左右手分别持虚拟现实手柄来对场景进行交互。但这两种方式在检修培训中都会有不同的优缺点，第一种方式的培训系统可以实现检修培训课件的交互设计及拆装流程，但用户的操作局限在鼠标、键盘上，对虚拟场景中的模型零件拆装认知比较单一，鼠标键盘的操作方式不能给受训者带来深刻的培训体验，没有代入感；第二种方式的培训系统相对于第一种则大大增强了用户的操作体验，在全沉浸式的视野中利用虚拟手柄对设备机组模型进行交互，但是这种方式只适用于单人培训，并且视野非常有限，培训系统展示的内容在一定程度上还取决于虚拟现实头盔设备的硬件质量，并且头盔版的虚拟现实培训系统并没有人物的概念，场景漫游只能选择“场景瞬移切换”或者“人物视角瞬移”的方式进行，长期使用会给人造成一种眩晕的感觉，俗称“晕动症”，由于大脑在快速执行场景视角切换时，而身体是没有跟随运动的，这种视觉技术引起的晕动症，是因为身体本体感觉(身体本体与外界环境的相对位置)和视觉系统不匹配，因此大脑给人一种眩晕想吐的感觉。公开号为CN108154772A的中国专利公开了一种牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真系统和方法，利用三维建模及动画软件构建牵引变电所的虚拟三维场景和相关动画，能够有效增强培训对象的视觉和听觉感受，强化其对学习内容的理解；利用三维引擎和数据库构建自由演练、情景教学、模拟考核三种培训模式和具体任务培训内容，培训内容针对性强且可以灵活修改；利用虚拟现实沉浸式头盔和体感交互设备进一步增强场景直观感受。该方法通过三维可视化仿真，能够逼真直观的构建整个牵引变电所的三维场景，在三维场景基础上通过业务培训内容模拟变电所巡视、倒闸、检修等日常操作，培训过程中操作安全、沉浸度高、直观性强、培训周期短，具有良好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，通过虚拟现实平台将水电站三维模型与CAVE显示系统进行整合，既能保证检修课件的交互逻辑操作的准确性，又能增强用户的检修代入感，提高培训操作体验，且能同时容纳多人进行培训。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，通过虚拟现实平台将水电站三维模型与CAVE显示系统进行整合，通过虚拟现实平台编写交互逻辑功能程序，赋予静态的水电站三维模型交互的能力；该培训系统的仿真体系架构包括：数据层，所述数据层包括：厂区厂房三维模型数据、设备机组三维模型数据和培训业务数据；所述厂区厂房三维模型数据用于构建厂区厂房及周边环境的三维模型；所述设备机组三维模型数据用于构建厂房内部设备机组的精确三维模型；所述培训业务数据用于提供具体的培训业务内容；所述数据层用于提供虚拟仿真所需的各种模型数据。平台层，所述平台层为五面LED-CAVE沉浸式虚拟仿真系统，所述仿真系统包括五面LED显示屏、光学跟踪定位系统以及信号同步显示系统；所述五面LED显示屏包括正幕、左幕、右幕、顶幕和地幕，该五面LED显示屏合围构成一个半封闭式的盒子，用于为培训对象提供虚拟仿真环境；所述光学跟踪定位系统用于获取培训对象的位置信息，并获取培训对象的动作数据；所述信号同步显示系统用于将虚拟场景同步渲染至五面LED显示屏上；所述平台层位于应用层和数据层之间，用于提供沉浸式虚拟仿真环境。应用层，所述应用层利用虚拟现实平台将数据层的模型数据、培训业务数据与平台层的仿真系统进行整合，实现场景漫游功能、设备认知功能、透视展示功能、剖切展示功能、设备拆解功能、设备安装功能、信息呈现功能以及虚实交互功能；所述应用层实现每个功能的内在逻辑。具体地，所述光学跟踪定位系统包括光学跟踪计算机和光学跟踪相机；所述光学跟踪相机包括4个主摄像头、2个辅助摄像头；所述主摄像头/辅助摄像头内部配置有低噪音CCD芯片以及对拍摄数据进行优化的FPGA芯片；所述光学跟踪相机还包括用于二维计算的内部PC机；用于计算操作者在空间中的二维位置信息。进一步地，所述4个主摄像头分别设置在五面LED显示屏幕左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方4个位置；所述2个辅助摄像头分别设置在顶幕的后方两侧；所述主摄像头、辅助摄像头均为红外发射摄像头。具体地，所述左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方分别设有4个用于安装所述主摄像头的安装孔；所述安装孔为斜锥形安装孔；所述安装孔为斜锥形安装孔，通过设置所述斜锥形安装孔，便于调节摄像头的拍摄角度。所述2个辅助摄像头通过云台安装在所述顶幕后方，所述云台通过焊接方式安装在所述顶幕上，所述云台为方向可调节的云台。进一步地，所述光学跟踪定位系统获取3D眼镜的空间位姿信息的方法为：通过光学跟踪相机获取3D眼镜在五面LED显示屏幕内部空间中的位置信息，通过光学跟踪计算机对所述3D眼镜的位置信息进行处理，并结合光学跟踪相机的姿态信息得到3D眼镜在五面LED显示屏幕内部空间中的位姿信息；所述3D眼镜上设有两个定位反光球，用于所述光学跟踪相机捕捉3D眼镜的位置信息。具体地，所述信号同步显示系统包括多台图形工作站、无线信号发射器和无线信号接收器；所述多台图形工作站均配置有显卡和同步卡；所述无线信号接收器安装在3D眼镜内部，用于接收无线信号发射器发出的控制指令；所述多台图形工作站通过同步卡实现同步控制。所述3D眼镜内部设有无线信号接收器和控制器；所述3D眼镜的两个镜片内部均设有液晶层；所述无线信号接收器用于接收所述无线信号发射器发送的控制信号，所述控制器用于根据所述控制信号控制3D眼镜的两个镜片切换显示。3D信号同步显示系统根据3D眼镜的空间位姿信息生成左右眼两组画面图像，并将该两组画面在所述五面LED显示屏幕上交本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，通过虚拟现实平台将水电站三维模型与CAVE显示系统进行整合，通过虚拟现实平台编写交互逻辑功能程序，赋予静态的水电站三维模型交互的能力；该培训系统的仿真体系架构包括：数据层，所述数据层包括：厂区厂房三维模型数据、设备机组三维模型数据和培训业务数据；所述厂区厂房三维模型数据用于构建厂区厂房及周边环境的三维模型；所述设备机组三维模型数据用于构建厂房内部设备机组的精确三维模型；所述培训业务数据用于提供具体的培训业务内容；平台层，所述平台层为五面LED‑CAVE沉浸式虚拟仿真系统，所述仿真系统包括五面LED显示屏、光学跟踪定位系统以及信号同步显示系统；所述五面LED显示屏包括正幕、左幕、右幕、顶幕和地幕，该五面LED显示屏合围构成一个半封闭式的盒子，用于为培训对象提供虚拟仿真环境；所述光学跟踪定位系统用于获取培训对象的位置信息，并获取培训对象的动作数据；所述信号同步显示系统用于将虚拟场景同步渲染至五面LED显示屏上；应用层，所述应用层利用虚拟现实平台将数据层的模型数据、培训业务数据与平台层的仿真系统进行整合，实现场景漫游功能、设备认知功能、透视展示功能、剖切展示功能、设备拆解功能、设备安装功能、信息呈现功能以及虚实交互功能。...

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，通过虚拟现实平台将水电站三维模型与CAVE显示系统进行整合，通过虚拟现实平台编写交互逻辑功能程序，赋予静态的水电站三维模型交互的能力；该培训系统的仿真体系架构包括：数据层，所述数据层包括：厂区厂房三维模型数据、设备机组三维模型数据和培训业务数据；所述厂区厂房三维模型数据用于构建厂区厂房及周边环境的三维模型；所述设备机组三维模型数据用于构建厂房内部设备机组的精确三维模型；所述培训业务数据用于提供具体的培训业务内容；平台层，所述平台层为五面LED-CAVE沉浸式虚拟仿真系统，所述仿真系统包括五面LED显示屏、光学跟踪定位系统以及信号同步显示系统；所述五面LED显示屏包括正幕、左幕、右幕、顶幕和地幕，该五面LED显示屏合围构成一个半封闭式的盒子，用于为培训对象提供虚拟仿真环境；所述光学跟踪定位系统用于获取培训对象的位置信息，并获取培训对象的动作数据；所述信号同步显示系统用于将虚拟场景同步渲染至五面LED显示屏上；应用层，所述应用层利用虚拟现实平台将数据层的模型数据、培训业务数据与平台层的仿真系统进行整合，实现场景漫游功能、设备认知功能、透视展示功能、剖切展示功能、设备拆解功能、设备安装功能、信息呈现功能以及虚实交互功能。2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，所述光学跟踪定位系统包括光学跟踪计算机和光学跟踪相机；所述光学跟踪相机包括4个主摄像头、2个辅助摄像头；所述主摄像头/辅助摄像头内部配置有低噪音CCD芯片以及对拍摄数据进行优化的FPGA芯片；所述光学跟踪相机还包括用于二维计算的内部PC机；所述4个主摄像头分别设置在五面LED显示屏幕左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方4个位置；所述2个辅助摄像头分别设置在顶幕的后方两侧。3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，所述左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方分别设有4个用于安装所述主摄像头的安装孔；所述安装孔为斜锥形安装孔；所述2个辅助摄像头通过云台安装在所述顶幕后方。4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，所述信号同步显示系统包括多台图形工作站、无线信号发射器和无线信号接收器；所述多台图形工作站均配置有显卡和同步卡；所述无线信号接收器安装在3D眼镜内部，用于接收无线信号发射器发...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔吉宏，丘恩华，吕毅松，杨伟坡，李育林，徐浩，
申请(专利权)人：南方电网调峰调频发电有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44