一种三维视景虚拟建造人机交互系统及方法技术方案

本发明专利技术提出的是一种三维视景虚拟建造人机交互系统及方法。该三维视景人机交互系统集成时序电源、工作站集群、立体显示系统、位置跟踪系统、全身动捕系统、手柄控制器等人机交互设备，通过OpenGL截取显卡三维数据或制作虚拟现实内容呈现三维视景，操作者穿戴好全身动捕刚体套装、数据手套、立体眼镜和眼镜配套跟踪套件，绑定并校准后，实现三维视景人机交互，由真人实时驱动虚拟人完成虚拟装配动作，装配操作效率高、虚拟人动作真实不变形，可提高后续人机工程分析结果的准确性和可靠性，解决虚拟现实系统占用空间大、环境光要求高、成本高昂等不足，将虚拟现实带入寻常中小企业，实现虚拟现实人机交互，满足虚拟现实研究和应用需求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种三维视景虚拟建造人机交互系统及方法


[0001]本专利技术涉及船舶领域的虚拟现实技术，特别是涉及一种三维视景虚拟建造人机交互系统及方法。

技术介绍

[0002]虚拟现实技术目前在船舶领域的设计、CAD数字样机评审、CAE多学科数据可视化、人机工程和虚拟装配领域获得了广泛的应用，并产生了显著的经济效益和社会效益。
[0003]虚拟现实系统一般由工作站、显示系统、交互系统等构成，其工作站负责接受外界的输入条件，运行相应的软件应用，生成立体视觉信号给显示系统，以及其他的反馈信息给用户；其显示系统为用户提供一个立体的虚拟现实环境，使人沉浸在虚拟的环境中和虚拟世界交互；其交互系统负责采集使用人员的输入信息，为人与虚拟环境自然交互提供基础数据，同时可提供除视觉外的反馈信息；其应用软件是为解决特定行业应用而开发的软件，定义了虚拟世界的运行规律；为便于系统的管理和人们听觉的感知，目前典型的系统通常还配置中控系统和音响系统。
[0004]虚拟现实技术实际应用中存在以下不足：其工作站为高端图形工作站，价格高昂，计算和渲染性能强，但依然难以满足大场景、大数量级模型的快速加载需求；其显示系统一般为投影机，采用背投、正投等投影方式，对环境光要求较高、占用空间大、环境适应性较差，一般固定在室内光线控制较好的地方且不能搬迁；其交互系统包含三维鼠标、手柄等常规硬件，能提供模型、视角等操作，但惯性人体动作捕捉系统、高精度力反馈装置、力反馈数据手套等设备价格高昂，一般由大型企业、院校、研究院所斥巨资构建，普通消费者难以企及，而且由于采用蓝牙、WiFi等无线通信，导致部分设备难以在涉密产品上和涉密场所内使用。

技术实现思路

[0005]为了能够解决上述技术问题，本专利技术提供了一种三维视景虚拟建造人机交互系统及方法。该方法通过工作站集群和集成性价比较高的虚拟现实设备，实现虚拟现实人机交互，将虚拟现实带入寻常中小企业，满足虚拟现实研究和应用需求，解决虚拟现实技术的技术问题。
[0006]本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是：一种三维视景虚拟建造人机交互系统，包括时序电源、LED主控系统、控制主机、工作站集群、红外立体发射器、机柜、工作台、显示器、键盘、鼠标、地面、屏幕支架、小间距LED显示屏、音响、红外追踪摄像头、电源线、高清视频线、六类网线、手柄控制器、操作者、红外主动立体眼镜、眼镜配套跟踪套件、数据手套、全身动捕刚体套装、模拟工具和刚体；工作站集群提高人机交互系统的模型加载性能和三维视景渲染性能，虚拟现实设备构建符合保密要求的三维视景沉浸式环境，由操作者真人实时驱动虚拟人及零部件完成虚拟装配动作，虚拟人体动作真实不变形，提高后续人机工程分析结果的准确性和可靠性，
实现三维视景虚拟建造人机交互。
[0007]为了进一步解决本专利技术所要解决的技术问题，本专利技术提供的工作站集群中，所述工作站集群由多台HP/Z8G4图形工作站和24口千兆网络交换机构成，由六类网线连接；每台图形工作站上安装同步卡，六类网线串联；工作站集群上安装立体显示系统、位置跟踪系统、全身动捕系统所需的CATIA、DELMIA、ENOVIA、ART
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Dtrack、ART
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Human、Techviz和MakeReal3D软件。
[0008]进一步地，所述立体显示系统由小间距LED显示屏、LED主控系统、屏幕支架、红外立体发射器、红外主动立体眼镜构成；小间距LED显示屏为魔方系列SU63X，间距1.667mm、刷新率3840Hz，屏幕尺寸3.2m*1.8m，分辨率1920*1080，内置信号接收卡，支持立体显示；LED主控系统为X16 PRO专业级LED显示屏控制设备，最大可接收4096*2160像素的4K数字信号，支持HDMI、DP、DVI、SDI等数字接口，最大支持七画面显示；屏幕支架由若干铝型材构成，为落地式安装，置于地面上；红外主动立体眼镜和红外立体发射器采用Volfoni的红外立体眼镜系统，红外立体发射器配红外主动立体眼镜若干；红外立体发射器置于机柜上，朝向操作者，红外立体发射器自带电源线连接到时序电源上为其供电，通过自带信号线连接到LED主控系统和控制主机接收立体同步信号，发射红外同步信号给红外主动立体眼镜，使操作者佩戴红外主动立体眼镜后能正常看到小间距LED显示屏上。
[0009]进一步地，所述全身动捕系统由全身动捕刚体套装、眼镜配套跟踪套件、数据手套以及另配的可粘贴在工具上的刚体构成，均为ART光学跟踪；眼镜配套跟踪套件镶嵌在红外主动立体眼镜上，刚体为ART定制，粘贴在模拟工具上，可在软件中绑定并驱动工具模型；操作者穿戴好全身动捕刚体套装、红外主动立体眼镜和数据手套，手持手柄控制器和模拟工具站立于小间距LED显示屏前、红外追踪摄像头的中间。
[0010]一种三维视景虚拟建造人机交互方法，包括以下步骤：步骤1：操作者在工作台上，利用键盘、鼠标，在工作站集群的显示器上打开或通过局域网访问虚拟建造装配模型数据库；虚拟建造装配模型数据库由产品模型、资源模型组成，由VPM实现模型结构树管理，产品结构树、资源结构树为独立的结构树，产品结构树按专业和区域划分层级，资源结构树按厂区、车间、单位部门划分结构树层级；步骤2：启动RTID软件，开启高速缓存，提升模型加载速度，按验证需求在工作站集群上打开虚拟建造装配模型数据库中相关模型，在PPR树上加载产品模型、资源模型，在显示器上显示；步骤3：虚拟现实内容制作, 启动MakeReal3D程序，在线加载RTID中打开的模型或导入本地模型，制作UI、动画和路径漫游人机交互行为，发布VR程序；步骤4：主动立体显示，如实施了步骤2，则启动Techviz软件，基于OpenGl截取显卡三维数据，在小间距LED显示屏中立体显示；如实施了步骤3，则直接运行发布的程序，在小间距LED显示屏中立体显示；步骤5：使用手柄控制器、全身动捕系统实现人机交互；操作者穿戴好全身动捕刚体套装、数据手套和立体眼镜；手持模拟工具在工作站集群上运行ART
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Dtrack、ART
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Human，
绑定并校准后，由操作者驱动RTID中的虚拟人完成虚拟装配动作、右手持手柄控制器驱动零部件模型、左手持模拟工具驱动工具模型完成人机交互的零部件虚拟装配；如装配过程零部件发生碰撞，则数据手套指尖震动提示的同时音响发出鸣笛警告。
[0011]积极效果：由于本专利技术采用工作站集群和集成性价比较高的虚拟现实设备，性价比高、占用空间小、环境适应性强、符合保密要求，由真人实时驱动虚拟人和模型完成虚拟装配动作，装配操作效率高、虚拟人动作真实不变形，可提高后续人机工程分析结果的准确性和可靠性，碰撞干涉能实时震动提示，提升三维视景人机交互体验。适宜作为一种三维视景虚拟建造人机交互系统及方法应用。
附图说明
[0012]图1为一种三维视景虚拟建造人机交互系统示意图；图2为操作者穿戴全身动捕刚体套装和立体眼镜佩戴示意图；图3为一种三维视景虚拟建造人机交互方法流程图。
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维视景虚拟建造人机交互系统，其特征是：包括时序电源（1）、LED主控系统（2）、控制主机（3）、工作站集群（4）、红外立体发射器（5）、机柜（6）、工作台（7）、显示器（8）、键盘（9）、鼠标（10）、地面（11）、屏幕支架（12）、小间距LED显示屏（13）、音响（14）、红外追踪摄像头（15）、电源线（16）、高清视频线（17）、六类网线（18）、手柄控制器（19）、操作者（20）、红外主动立体眼镜（21）、眼镜配套跟踪套件（22）、数据手套（23）、全身动捕刚体套装（24）、模拟工具（25）和刚体（26）；工作站集群（4）提高人机互动系统的模型加载性能和三维视景渲染性能，虚拟现实设备构建符合保密要求的三维视景沉浸式环境，由操作者（20）真人实时驱动虚拟人及零部件完成虚拟装配动作，虚拟人体动作真实不变形，提高后续人机工程分析结果的准确性和可靠性，实现三维视景虚拟建造人机交互。2.根据权利要求1所述的一种三维视景虚拟建造人机交互系统，其特征是：所述工作站集群（4）由多台HP/Z8G4图形工作站和24口千兆网络交换机构成，由六类网线（18）连接；每台图形工作站上安装同步卡，六类网线（18）串联；工作站集群（4）上安装立体显示系统、位置跟踪系统、全身动捕系统所需的CATIA、DELMIA、ENOVIA、ART
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Dtrack、ART
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Human、Techviz和MakeReal3D软件。3.根据权利要求1所述的一种三维视景虚拟建造人机交互系统，其特征是：所述时序电源（1）、LED主控系统（2）、控制主机（3）和工作站集群（4）安装于机柜（6）中，时序电源（1）连接外部供电，由若干电源线（16）为LED主控系统（2）、控制主机（3）和工作站集群（4）供电。4.根据权利要求2所述的一种三维视景虚拟建造人机交互系统，其特征是：所述立体显示系统由小间距LED显示屏（13）、LED主控系统（2）、屏幕支架（12）、红外立体发射器（5）和红外主动立体眼镜（21）构成；小间距LED显示屏（13）为魔方系列SU63X，间距1.667mm、刷新率3840Hz，屏幕尺寸3.2m*1.8m，分辨率1920*1080，内置信号接收卡，支持立体显示；LED主控系统（2）为X16 PRO专业级LED显示屏控制设备，最大可接收4096*2160像素的4K数字信号，支持HDMI、DP、DVI和SDI数字接口，最大支持七画面显示；屏幕支架（12）由若干铝型材构成，为落地式安装，置于地面（11）上；红外主动立体眼镜（21）和红外立体发射器（5）采用Volfoni的红外立体眼镜系统，红外立体发射器（5）配红外主动立体眼镜（21）若干；红外立体发射器（5）置于机柜（6）上，朝向操作者（20），红外立体发射器（5）自带电源线（16）连接到时序电源（1）上为其供电，通过自带信号线连接到LED主控系统（2）和控制主机（3）接收立体同步信号，发射红外同步信号给红外主动立体眼镜（21），使操作者（20）佩戴红外主动立体眼镜（21）后能正常看到小间距LED显示屏（13）上的立体图像。5.根据权利要求4所述的一种三维视景虚拟建造人机交互系统，其特征是：所述小间距LED显示屏（13）坐落在屏幕支架（12）上，通过六类网线（18）与LED主控系统（2）相连，LED主控系统（2）通过两路高清视频线（17）转DVI后与工作站集群（4）相连，获取工作站立体图像及同步信号，红外立体发射器（5）插在LED主控系统（2）上，面向...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海波，刘民，王烨煊，周游，许关磊，杨绪丰，张士文，李强，
申请(专利权)人：渤海造船厂集团有限公司，
类型：发明
国别省市：