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基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統及方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510871563.2

申請日:

2015.12.02

公開號:

CN105320820A

公開日:

2016.02.10

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/50申請日:20151202|||公開
IPC分類號: G06F17/50; G06T19/00(2011.01)I 主分類號: G06F17/50
申請人: 上海航空電器有限公司
發明人: 王盛
地址: 201101上海市閔行區中春路6629號
優先權:
專利代理機構: 上海世貿專利代理有限責任公司31128 代理人: 葉克英; 顧俊超
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510871563.2

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2018.08.31|||2016.02.10

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統,包括頭戴式顯示器,其特征在于所述頭戴式顯示器,用以顯示計算機輸出的圖像信號;慣性傳感器,用以獲得頭坐標數據;紅外體感控制器,用于獲得手部信息;計算機,建立座艙模型,在場景中加入座艙模型,根據慣性傳感器和紅外體感控制器輸出的信息計算出相應的虛擬手模型以及其在虛擬世界中的坐標數據,并根據計算出的坐標數據進行相關的場景更新,并將所述場景輸出至頭戴式顯示器。本發明通過便攜式的設備實現沉浸式交互體驗,其中包括機載設備的啟動與關閉等,然后可根據用戶身臨其境的虛擬體驗得到的反饋來改進座艙設計方案,從而達到縮短研發周期和降低整體研制成本的目的。

權利要求書

1.一種基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統,包括頭戴式顯示器,其特征在于所述頭戴式顯示器包括左眼顯示器和右眼顯示器,用以顯示控制單元輸出的場景;慣性傳感器,內置于所述頭戴式顯示器內,用以獲得頭坐標數據;紅外體感控制器,所述紅外體感控制器固定在頭戴式顯示器的前側,且位于左眼顯示器和右眼顯示器瞳孔位置的中線上,用于獲得手部坐標數據;控制單元,建立座艙模型,在場景中加入座艙模型,根據慣性傳感器輸出的坐標變化信息計算出頭坐標的變化情況;同時,由紅外體感控制器輸出的頭坐標系中的手部信息計算出相應的虛擬手模型以及其在虛擬世界中的坐標數據,并根據計算出的坐標數據進行相關的場景更新,并將所述場景分成左眼對應的圖像信號和右眼對應的圖像信號,分別輸出至左眼顯示器和右眼顯示器。2.如權利要求1所述的一種基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統,其特征在于所述的場景更新包括當虛擬手模型任意部位觸碰到預置在座艙模型中開關位置的觸發器時,觸發相應的事件。3.如權利要求1所述的一種基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統,其特征在于:紅外體感控制器由紅外LED和灰階攝像頭組成。4.如權利要求1所述的一種基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統,其特征在于:紅外體感控制器以頭坐標系作為參考坐標系。5.如權利要求1所述的一種基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統的控制方法,其特征在于:所述基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統的控制方法,包括以下步驟:A、建立座艙模型,在場景中加入座艙模型;B、根據內置于頭戴式顯示器的慣性傳感器輸出的坐標變化信息計算出頭坐標的變化情況;C、由紅外體感控制器輸出的頭坐標系中的手部信息計算出相應的虛擬手模型以及其在虛擬世界中的坐標數據,并根據計算出的坐標數據進行相關的場景更新;D、將所述場景處理成左眼對應的圖像信號和右眼對應的圖像信號,分別輸出至左眼顯示器和右眼顯示器。6.一種利用所述基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統進行設計的方法,其特征在于:該方法包括以下步驟:A、利用3DMAX建立座艙模型;B、導入到Unity3D引擎;C、制作專屬材料;D、建立燈光系統;E、編寫虛擬人機交互腳本;F、檢查座艙模型是否保持一體化,如是則轉入G,如否則轉入I;G、打包發布程序;H、進行用戶體驗,判斷是否需要改進,若不需改進則座艙設計完成,若需要改進則轉入I;I、座艙布局優化,修改座艙各部件材質,修改座艙各部件大小,修改座艙各部件位置,修改完成后轉入F。

說明書

基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統及方法

技術領域

本發明涉及快速座艙設計領域,特別是一種基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統及方法。

背景技術

虛擬現實(VirtualReality,簡稱VR)技術是系統仿真中新興技術之一。它實際上是一種采用計算機技術制作仿真的假想世界的技術,它采用計算機產生一個被仿真世界的動態、三維視覺環境,使操作者產生一種身臨其境的感覺,對探討大量需要借助形象思維的問題頗有幫助。目前,國內多數座艙設計人員依然在使用計算機平面顯示或依靠大型3D投影設備展示設計效果的方法來進行座艙的設計。這些方法依然存在著設計開發周期長、座艙實際效果不直觀和高成本的問題。

發明內容

本發明提供一種基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統,可以有利于解決現有的設計開發周期長、效果不直觀、成本高的問題。

為了實現上述目的,本發明的技術方案如下:一種基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統,包括頭戴式顯示器,其特征在于所述頭戴式顯示器包括左眼顯示器和右眼顯示器,用以顯示控制單元輸出的圖像信號;慣性傳感器,內置于所述頭戴式顯示器內,用以獲得頭坐標數據;紅外體感控制器,所述紅外體感控制器固定在頭戴式顯示器的前側,且位于左眼顯示器和右眼顯示器瞳孔位置的中線上,用于獲得頭坐標系中的手部信息;計算機,建立座艙模型,在場景中加入座艙模型,根據慣性傳感器輸出的坐標變化信息計算出頭坐標的變化情況;同時,由紅外體感控制器輸出的頭坐標系中的手部信息計算出相應的虛擬手模型以及其在虛擬世界中的坐標數據,并根據計算出的坐標數據進行相關的場景更新,并將所述場景處理成左眼對應的圖像信號和右眼對應的圖像信號,分別輸出至左眼顯示器和右眼顯示器。

所述的場景更新包括當虛擬手模型任意部位觸碰到預置在座艙模型中開關位置的觸發器時,觸發相應的事件。

所述基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統的控制方法,包括以下步驟:A、建立座艙模型,在場景中加入座艙模型;B、根據內置于頭戴式顯示器的慣性傳感器輸出的坐標變化信息計算出頭坐標的變化情況;C、由紅外體感控制器輸出的頭坐標系中的手部信息計算出相應的虛擬手模型以及其在虛擬世界中的坐標數據,并根據計算出的坐標數據進行相關的場景更新;D、將所述場景處理成左眼對應的圖像信號和右眼對應的圖像信號,分別輸出至左眼顯示器和右眼顯示器。

本發明的另一目的在于提供一種利用所述基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統進行設計的方法,可以有利于解決現有的設計開發周期長、效果不直觀、成本高的問題。

為了實現上述目的,本發明的技術方案如下:一種利用所述基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統進行設計的方法,其特征在于:該方法包括以下步驟:A、3DMAX建立座艙模型;B、導入到Unity3D引擎;C、制作專屬材料;D、建立燈光系統;E、編寫虛擬人機交互腳本;F、檢查座艙模型是否保持一體化,如是則轉入G,如否則轉入I;G、打包發布程序;H、進行用戶體驗,判斷是否需要改進,若不需改進則座艙設計完成,若需要改進則轉入I;I、座艙布局優化,修改座艙各部件材質,修改座艙各部件大小,修改座艙各部件位置,修改完成后轉入F。

本發明可以有利于解決現有的設計開發周期長、效果不直觀、成本高的問題。本發明涉及一種虛擬現實的快速座艙設計方法,包括軟硬件平臺的要求、座艙布局設計和人機交互體驗設計,其特征在于:軟件開發平臺主要依靠擁有完美的程序開發生態鏈的虛擬仿真引擎Unity3D;硬件平臺主要由內部嵌入了慣性傳感器的頭戴式顯示器、紅外體感控制器和高性能計算機組成,尤其是,紅外體感控制器和頭戴式顯示器是固定在一起的;在Unity3D中可以進行調色并且直接更換座艙內任意部件的材質,也可以進行對任意虛擬儀表和座椅的大小、位置和姿態進行調試;軟件平臺支持使用多種編程語言進行交互開發。本發明的優點在于:本方法可以便捷地實現座艙內飾顏色的快速改變,并且可通過便攜式的設備實現沉浸式交互體驗,其中包括機載設備的啟動與關閉等,然后可根據用戶身臨其境的虛擬體驗得到的反饋結果來改進座艙的布局設計,所以,這種方法既可以提高設計效率,也可以縮短研發周期和降低整體研制成本。

附圖說明

圖1為本發明中體感控制器和頭戴式顯示器的位置說明。

圖2為本發明中慣性傳感器的坐標系,即頭坐標系。

圖3為本發明中紅外傳感器的坐標系。

圖4為本發明中虛擬現實平臺的工作原理圖。

圖5為本發明中計算機虛擬出的手部模型圖像。

圖6為本發明中基于虛擬現實平臺的快速座艙設計方法流程圖。

下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。

具體實施方式

如圖所示,一種基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統,包括頭戴式顯示器1,其特征在于所述頭戴式顯示器1包括左眼顯示器和右眼顯示器,用以顯示控制單元輸出的圖像信號;慣性傳感器,內置于所述頭戴式顯示器內,用以獲得頭坐標數據;紅外體感控制器2,所述紅外體感控制器固定在頭戴式顯示器的前側,且位于左眼顯示器和右眼顯示器瞳孔位置的中線上,用于獲得頭坐標系中的手部信息;計算機,建立座艙模型,在場景中加入座艙模型,根據慣性傳感器輸出的坐標變化信息計算出頭坐標的變化情況;同時,由紅外體感控制器輸出的頭坐標系中的手部信息計算出相應的虛擬手模型以及其在虛擬世界中的坐標數據,并根據計算出的坐標數據進行相關的場景更新,并將所述場景處理成左眼對應的圖像信號和右眼對應的圖像信號,分別輸出至左眼顯示器和右眼顯示器。

虛擬手可以與座艙內的虛擬屏進行虛擬觸碰交互,所述的場景更新包括當虛擬手模型任意部位觸碰到預置在座艙模型中開關位置的觸發器時,就會觸發相應的事件。例如,如果虛擬手觸碰到機內照明燈的開關,機內燈就會打開或關閉。虛擬手可以在虛擬顯示屏上選中按鈕進行移動,從而可以調節顯示屏和燈的亮度。

如圖所示,優選地,所述紅外體感控制器固定在頭戴式顯示器的前側,且位于左眼顯示器瞳孔位置和右眼顯示器瞳孔位置的中線上,且與左眼顯示器瞳孔位置和右眼顯示器瞳孔位置連線之間保持一定距離,需要通過預置在虛擬現實軟件平臺內的虛擬體感控制器與虛擬雙眼瞳孔連線之間的距離按模型比例計算得到真實世界距離。因為只有做到虛擬場景與現實場景的比例參數同步才能保證體驗者在進行虛擬交互時,得到較好的視覺效果,即保證真實感。當然,這個數值是可以根據實際情況來進行調節的。所述紅外體感控制器由紅外LED和灰階攝像頭組成,紅外體感控制器以頭坐標系作為參考坐標系。虛擬手的移動范圍可以覆蓋整個座艙。

首先,將紅外體感控制器按照附圖中圖1所示的狀態固定在頭戴式顯示器上,所以,在真實世界中,體感控制器和頭戴式顯示器的姿態總是保持相對一致。

紅外體感控制器通過紅外LED和灰階攝像機采集外部圖像數據,計算機會迅速對這些圖像數據進行識別處理,從而得到相對于頭部姿態的手部狀態信息。然后,計算機會根據慣性傳感器輸出的坐標變化信息快速計算出頭坐標(動坐標系)的變化情況;同時,由頭坐標系中的手部信息可以計算出相應的虛擬手模型以及其在虛擬世界中的坐標數據。這樣就可以保證虛擬交互操作在視覺上的真實性。

內部嵌入了慣性傳感器的頭戴式顯示器與計算機通過USB2.0端口和HDMI1.3兼容接口連接,體感控制器與計算機通過USB2.0接口連接。

圖6為本發明中基于虛擬現實平臺的快速座艙設計方法流程圖。

一種利用所述基于沉浸式虛擬現實平臺的快速座艙設計系統進行設計的方法,其特征在于:該方法包括以下步驟:A、3DMAX建立座艙模型;B、導入到Unity3D引擎;C、制作專屬材料;D、建立燈光系統;E、編寫虛擬人機交互腳本;F、檢查座艙模型是否保持一體化,如是則轉入G,如否則轉入I;G、打包發布程序;H、進行用戶體驗,判斷是否需要改進,若不需改進則座艙設計完成,若需要改進則轉入I;I、座艙布局優化,修改座艙各部件材質,修改座艙各部件大小,修改座艙各部件位置,修改完成后轉入F。

進行用戶體驗時,虛擬現實平臺的具體運算流程如圖4。根據內置于頭戴式顯示器的慣性傳感器輸出的坐標變化信息計算出頭坐標的變化情況;由紅外體感控制器輸出的頭坐標系中的手部信息計算出相應的虛擬手模型以及其在虛擬世界中的坐標數據,并根據計算出的坐標數據進行相關的場景更新;將所述場景處理成左眼對應的圖像信號和右眼對應的圖像信號,分別輸出至左眼顯示器和右眼顯示器。

為簡化設計流程,本發明在開發初期使用CATIA和3DMAX建立完整的座艙模型。然后將建立好的座艙模型以100:1的比例導入Unity3D開發引擎內,在場景中加入座艙模型,HMD雙眼輸出相機模型,體感控制器輸入模型并進行必要的體積、位置和空間姿態調節,以確保虛擬場景中視覺圖像的真實度。

在發明中,設計人員可以通過Unity3D引擎調整座艙內部各個設備的位置、大小和姿態以達到最佳的人機交互體驗。

在Unity3D中,選中目標,在右側的Inspector信息欄中可以看到目標的材質屬性,這里選中顏色可以進入調色板,根據RGB配色原理可以調配出期望的顏色,然后可以保存作為一種新的材質替換掉原來的材質,從而達到改變座艙內任意部件顏色的目的。

在本發明中,當虛擬手模型任意部位觸碰到預置在開關位置的觸發器時,就會觸發相應的事件。例如,如果虛擬手觸碰到機內照明燈的開關,機內燈就會打開或關閉。同時,本發明中還可以提供復雜的虛擬操作,例如,虛擬手可以在虛擬顯示屏上選中按鈕進行移動,從而可以調節顯示屏和燈的亮度。

以上僅表達了本發明的實施方式,其描述較為具體和詳細,但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是,對于本領域的普通技術人員來說,在不脫離本發明構思的前提下,還可以做出若干變形和改進,這些都屬于本發明的保護范圍。因此,本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。

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基于 沉浸 虛擬現實 平臺 快速 座艙 設計 系統 方法
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