CN104869160B - 一种基于云平台的分布式虚拟现实系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于云平台的分布式虚拟现实系统包括多个分布式移动终端以及云端服务器，所述云端服务器包括虚实转换建立单元、组合单元、虚拟现实构建单元、虚拟现实冲突检测单元、虚拟现实有效性判断单元、虚实更新调节单元、以及实时图像帧编码调制单元，通过本发明的设计，解决了虚实转换中的冲突及有效性问题，提高了用户体验。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术，尤其涉及一种基于云平台的分布式虚拟现实系统。
背景技术
虚拟现实技术起源于20世纪80年代，本质上，它是一种先进的运算机用户接口技术，通过给用户同时提供诸如视、听、说、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率。传统意义上的虚拟现实技术包括三个特点：沉浸感、交互性、自主性,强调在完全虚拟化环境中的沉浸体验，并强调人能以自然方式与虚拟现实中的对象进行交互操作。
但是，在虚拟现实构建单元中一幅虚拟场景可能包含百万千万级的面片，还可能包含有大量的物理模型、矢量线画，或其他虚拟现实内容如光照、波浪、天空等，完成这些庞大数据的运算和绘图已远远超出移动终端的运算和绘图能力，而且如何存储这些海量数据也面临挑战。
DCS是分布式控制系统的英文缩写，其含义是利用单片机或微型运算机技术对生产过程进行集中管理和分散控制，是一种由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级运算机系统，综合了运算机、通讯、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS技术的上述优点给虚拟现实技术的发展带来新的解决方案。
但是目前采用分布式处理技术的虚拟现实系统依然存在配置不合理，效率低，现实与虚拟转换存在冲突，以及对转换结果有效性不能合理预测，这导致虚拟现实转换的实时性以及用户体验变差。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的实施方式，提出一种基于云平台的分布式虚拟现实系统，所述系统包括多个分布式移动终端以及云端服务器，所述移动终端上安装有虚拟机，所述移动终端和所述云端服务器通过LTE-A无线网络连接；其中，
所述云端服务器包括第二LTE-A无线收发单元、数据包解调单元、虚实转换建立单元、组合单元、虚拟现实构建单元、虚拟现实冲突检测单元、虚拟现实有效性判断单元、虚实更新调节单元、以及实时图像帧编码调制单元；所述第二LTE-A无线收发单元的输出端依次连接数据包解调单元、虚实转换建立单元、组合单元、虚拟现实构建单元，虚拟现实构建单元的输出端分别连接虚拟现实冲突检测单元、虚拟现实有效性判断单元以及虚实更新调节单元，所述虚拟现实冲突检测单元和虚拟现实有效性判断单元得输出端分别连接虚实更新调节单元，所述虚实更新调节单元的输出端连接实时图像帧编码调制单元，所述实时图像帧编码调制单元的输出端连接第二LTE-A无线收发单元。
根据本发明的实施方式，所述第二LTE-A无线收发单元用于实现与分布式移动终端的无线通信；
所述数据包解调单元，用于对接收的打包数据包进行存储与解调，并将解调出的真实图像信息和标准点信息发送给所述虚实转换建立单元。
根据本发明的实施方式，所述虚实转换建立单元用于建立虚实映射图，将所获取的标准点按照标准点之间的相互位置关系映射于所述虚实映射图上，并在映射有标准点的位置添加对应的标准点信息识别标记。
根据本发明的实施方式，所述组合单元用于将添加有标准点信息识别标记的虚实映射图与所述实景图像组合，以形成增益组合图像。
根据本发明的实施方式，所述虚拟现实构建单元，用于根据预设的构建方案和所述增益组合图像，执行相应的运算和虚拟绘图，并将虚拟绘图发送给虚实更新调节单元、虚拟现实冲突检测单元、以及虚拟现实有效性判断单元；所述虚拟现实构建单元包括一由图像处理单元群组组成的联合虚拟绘图单元；当任务所有虚拟现实转换完成之后，所述联合虚拟绘图单元进行3D虚拟绘图，并将3D虚拟绘图发送至虚实更新调节单元、虚拟现实冲突检测单元、以及虚拟现实有效性判断单元。
根据本发明的实施方式，所述虚拟现实冲突检测单元用于根据虚拟现实构建单元的虚拟绘图执行虚拟现实冲突检测，并将检测结果输出至虚实更新调节单元。
根据本发明的实施方式，所述虚拟现实有效性判断单元用于根据虚拟现实构建单元的虚拟绘图执行虚拟图像转换的有效性，并将检测结果输出至虚实更新调节单元。
根据本发明的实施方式，所述虚实更新调节单元用于根据所述虚拟现实构建单元生成的虚拟绘图以及虚拟现实冲突检测单元和虚拟现实有效性判断单元的检测结果对虚拟绘图进行更新调节，以生成精确虚拟图像。
根据本发明的实施方式，所述实时图像帧编码调制单元，用于对生成的精确虚拟图像进行编码调制，并将其发送给所述移动终端的实时图像帧解码解调单元。
本发明的基于云平台的分布式虚拟现实系统包括多个分布式移动终端以及云端服务器，所述云端服务器包括虚实转换建立单元、组合单元、虚拟现实构建单元、虚拟现实冲突检测单元、虚拟现实有效性判断单元、虚实更新调节单元、以及实时图像帧编码调制单元，通过本发明的设计，解决了虚实转换中的冲突及有效性问题，提高了用户体验。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的基于云平台的分布式虚拟现实系统的结构示意图；
附图2示出了根据本发明实施方式的云端服务器的结构示意图；
附图3示出了根据本发明实施方式的分布式移动终端的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方式，提出一种基于云平台的分布式虚拟现实系统，如附图1所示，所述系统包括多个分布式移动终端以及云端服务器，所述移动终端上安装有虚拟机，所述移动终端和所述云端服务器通过LTE-A无线网络连接；其中，
如附图2所示，所述云端服务器包括第二LTE-A无线收发单元、数据包解调单元、虚实转换建立单元、组合单元、虚拟现实构建单元、虚拟现实冲突检测单元、虚拟现实有效性判断单元、虚实更新调节单元、以及实时图像帧编码调制单元；
如附图3所示，所述虚拟机包括第一LTE-A无线收发单元、响应接口、指令解调单元、实景获得单元、标准点确定单元、信息打包传输单元、实时图像帧解码解调单元、实时虚拟图像绘图单元；
所述第一LTE-A无线收发单元输入端连接第二LTE-A无线收发单元，输出端分别连接第二LTE-A无线收发单元、响应接口以及实时图像帧解码解调单元，所述响应接口的输出端依次连接指令解调单元、实景获得单元、标准点确定单元、信息打包传输单元，所述信息打包传输单元的输出端连接第一LTE-A无线收发单元，所述实时图像帧解码解调单元的输出端连接实时虚拟图像绘图单元；
所述第二LTE-A无线收发单元的输出端依次连接数据包解调单元、虚实转换建立单元、组合单元、虚拟现实构建单元，虚拟现实构建单元的输出端分别连接虚拟现实冲突检测单元、虚拟现实有效性判断单元以及虚实更新调节单元，所述虚拟现实冲突检测单元和虚拟现实有效性判断单元得输出端分别连接虚实更新调节单元，所述虚实更新调节单元的输出端连接实时图像帧编码调制单元，所述实时图像帧编码调制单元的输出端连接第二LTE-A无线收发单元。
根据本发明的实施方式，所述第一LTE-A无线收发单元用于实现与云端服务器和其他移动终端收发操作；
所述响应接口，用于接收云端服务器的操作请求指令或其他移动终端的协作请求消息；
所述指令解调单元，用于将云端服务器的操作请求指令或其他移动终端的协作请求消息解调为虚拟机的执行指令；
实景获得单元用于根据指令解调单元解调出的图像获取执行指令，获得要进行虚实转换的现场真实图像；
标准点确定单元用于根据所述实景的图像获取位置及取景方向，获取预定范围内的标准点以及对应的标准点信息，所述标准点信息包括对应标准点的位置信息；
所述信息打包传输单元，用于将实景单元获取的现场真实图像以及标准点确定单元确定的标准点和对应的标准点信息进行打包，并通过第一LTE-A无线收发单元发送至云端服务器；
所述实时图像帧解码解调单元，用于对接收的云端服务器发送的精确虚拟图像数据进行解码和解调；
所述实时虚拟图像绘图单元，用于对解码解调后的数据绘图并显示互动虚拟场景。
根据本发明的实施方式，所述第二LTE-A无线收发单元用于实现与分布式移动终端的无线通信；
所述数据包解调单元，用于对接收的打包数据包进行存储与解调，并将解调出的真实图像信息和标准点信息发送给所述虚实转换建立单元；
所述虚实转换建立单元用于建立虚实映射图，将所获取的标准点按照标准点之间的相互位置关系映射于所述虚实映射图上，并在映射有标准点的位置添加对应的标准点信息识别标记；
所述组合单元用于将添加有标准点信息识别标记的虚实映射图与所述实景图像组合，以形成增益组合图像；
所述虚拟现实构建单元，用于根据预设的构建方案和所述增益组合图像，执行相应的运算和虚拟绘图，并将虚拟绘图发送给虚实更新调节单元、虚拟现实冲突检测单元、以及虚拟现实有效性判断单元；所述虚拟现实构建单元包括一由图像处理单元群组组成的联合虚拟绘图单元；当任务所有虚拟现实转换完成之后，所述联合虚拟绘图单元进行3D虚拟绘图，并将3D虚拟绘图发送至虚实更新调节单元、虚拟现实冲突检测单元、以及虚拟现实有效性判断单元；
所述虚拟现实冲突检测单元用于根据虚拟现实构建单元的虚拟绘图执行虚拟现实冲突检测，并将检测结果输出至虚实更新调节单元；
所述虚拟现实有效性判断单元用于根据虚拟现实构建单元的虚拟绘图执行虚拟图像转换的有效性，并将检测结果输出至虚实更新调节单元；
所述虚实更新调节单元用于根据所述虚拟现实构建单元生成的虚拟绘图以及虚拟现实冲突检测单元和虚拟现实有效性判断单元的检测结果对虚拟绘图进行更新调节，以生成精确虚拟图像；
所述实时图像帧编码调制单元，用于对生成的精确虚拟图像进行编码调制，并将其发送给所述移动终端的实时图像帧解码解调单元。
根据本发明的实施方式，所述虚实转换建立单元具体包括：
区域化单元，用于建立所述虚实映射图，并将所述虚实映射图划分为多个均匀的区域；
标准点映射单元，用于将所获取的标准点按照标准点之间的相互位置关系通过采样变换分别映射于所述虚实映射图的对应区域中；
识别标记添加单元，用于在映射有标准点的区域上添加对应的标准点信息识别标记。
根据本发明的实施方式，所述虚实转换建立单元进一步还可以包括：区域参数设置单元，用于设置所述区域的参数，所述参数包括展示所述虚拟图像时显示所述区域或者隐藏所述区域。
根据本发明的实施方式，所述组合单元具体包括：
标靶图像建立单元，用于选取一副实景的图像作为标靶图像；
基础角建立单元，用于计算所述虚实映射图在视觉上平行于所述标靶图像中的平面时，所述虚实映射图与实际平面之间的夹角，设定该夹角为基础角；
方向角矩阵运算单元，用于运算所述实景图像与所述标靶图像之间的方向角矩阵；
复合单元，用于根据所述方向角矩阵以及所述基础角，将添加有标准点信息识别标记的虚实映射图复合于所述实景图像中。
根据本发明的实施方式，所述虚拟现实冲突检测单元根据虚拟现实构建单元的虚拟绘图执行虚拟现实冲突检测具体包括：
A1、标靶帧的标定点提取，从虚拟绘图图像中提取标靶帧图像，在图像中进行图像分割，获得显示坐标系中标定点的坐标(X1、X2、X3、X4)；
A2、实际场景中景物姿态及运动估计，通过运算现实坐标系到显示坐标系的转换矩阵，获得对应现实坐标系下的坐标(Y1、Y2、Y3、Y4)；在获得标定点后，计算获得冲突平面的法向量；随后计算出冲突平面的质量点C；并通过质量点的运动求得特定时刻的实际景物的运动向量；
A3、建立虚拟景物的空间几何体，将虚拟景物视为球体，使用球作为空间几何体，对虚拟景物建立空间几何体树；
A4、基于云计算对虚实冲突进行检测，具体包括：
A41、根据虚实冲突检测节点的数量，对虚拟景物空间几何体树进行分组；将每个空间几何体的识别号记为ID，将其质量点G与半径r记为Gr，得到原始数据<ID，Gr>；
A42、将各组原始数据<ID，Gr>送入虚实冲突检测节点进行虚实冲突检测；
将虚拟景物近似为一个球体，虚拟景物与实际景物冲突看作是球与平面的冲突；
虚拟景物球的质量点G到冲突平面的距离即是向量Y1G在法向量上的投影d；此时冲突检测的前提条件是：d≤τr，其中r为球的半径，τ为G到冲突平面的距离占r的比例；
如不满足条件即不产生虚实冲突。当满足此条件，则运算出质量点G在冲突平面的投影G’；并且判断是否G’在有标定点所围成的冲突区域内部，如果满足此条件则发生了冲突；将质量点G在冲突平面的投影G’记入Gr中，得到新的数据<ID，Gr’>；
A43、将<ID，Gr’>送入虚实冲突响应节点，判断Gr’中是否包含冲突点的信息，即是否发生了虚实冲突，如果未发生虚实冲突，则下一帧虚拟景物的运动向量与此帧虚拟景物的运动向量相同；如发生了虚实冲突，则发送冲突检测结果至虚实更新调节单元。
根据本发明的实施方式，所述虚拟现实有效性判断单元根据虚拟现实构建单元的虚拟绘图执行虚拟图像转换的有效性具体包括：
B1、引入检测输入值和输出值的检测模型y＝f(x1，x2....xn)，式中y为输出值即被检测值，x1，x2....xn为虚拟图坐标输入值；
B2、获取输入值x1，x2....xn的可能性分布，其中表示输入值可能性分布的参数记为aij，i＝1...n，n为输入值的个数，j＝1...m，m为影响输入值xi可能性分布的参数个数；
B3、根据检测模型y＝f(x1，x2....xn)及输入值x1，x2....xn的可能性分布计算输出值y的可能性分布函数g(y，a11，...，anm)；
B4、根据检测的具体需求，选择一个标靶参数akr(1≤k≤n，1≤r≤m)，确定akr的取值范围，根据测量记录表得到其他输入值可能性分布参数的取值，此时y的可能性分布函数记为g(y，akr)，将输出值y、标靶参数akr、可能性分布值g(y，akr)分别对应3D虚拟图像X、Y、Z三个坐标轴，生成3D框架图；
B5、建立图形用户接口界面实现对所述3D框架图中远剪切面和近剪切面的控制，以实现对可能性分布曲线随akr变化的控制；
B6、根据检测具体条件确定akr的取值，并对y采样，从而得到一组表示y可能性分布的分散点集合(yt，gt)，t＝1.....T，T为采样点个数，gt为y＝yt时可能性分布值；
B7、以有效性检测中的各典型分布为目标函数，做分散点集合(yt，gt)的曲线拟合，曲线拟合后得到各典型分布所对应的拟合误差统计值，各分布拟合误差统计值中最小值所对应的分布类型即为被检测y的分布类型，将此分布类型记为R型分布；
B8、再以R型分布为目标函数，对分散点集合(yt，gt)进行曲线拟合的过程中得到曲线拟合参数，由曲线拟合参数得到扩展有效性度量，从而给出虚拟图像有效性检测结果，并将检测结果输出至虚实更新调节单元。
根据本发明的实施方式，所述虚实更新调节单元根据所述虚拟现实构建单元生成的虚拟绘图以及虚拟现实冲突检测单元和虚拟现实有效性判断单元的检测结果对虚拟绘图进行更新调节，以生成精确虚拟图像具体包括：当虚实冲突检测结果为虚实冲突或者虚拟现实有效性判断结果为有效性低时，选择丢弃当前生成的虚拟图像帧，并估算下一帧虚拟景物的运动位置，重新获取实景图像并生成新的虚拟图像。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种基于云平台的分布式虚拟现实系统，所述系统包括多个分布式移动终端以及云端服务器，所述移动终端上安装有虚拟机，所述移动终端和所述云端服务器通过LTE-A无线网络连接；其中，
所述云端服务器包括第二LTE-A无线收发单元、数据包解调单元、虚实转换建立单元、组合单元、虚拟现实构建单元、虚拟现实冲突检测单元、虚拟现实有效性判断单元、虚实更新调节单元、以及实时图像帧编码调制单元；所述第二LTE-A无线收发单元的输出端依次连接数据包解调单元、虚实转换建立单元、组合单元、虚拟现实构建单元，虚拟现实构建单元的输出端分别连接虚拟现实冲突检测单元、虚拟现实有效性判断单元以及虚实更新调节单元，所述虚拟现实冲突检测单元和虚拟现实有效性判断单元得输出端分别连接虚实更新调节单元，所述虚实更新调节单元的输出端连接实时图像帧编码调制单元，所述实时图像帧编码调制单元的输出端连接第二LTE-A无线收发单元；
所述数据包解调单元，用于对接收的打包数据包进行存储与解调，并将解调出的真实图像信息和标准点信息发送给所述虚实转换建立单元；
所述虚实转换建立单元用于建立虚实映射图，将所获取的标准点按照标准点之间的相互位置关系映射于所述虚实映射图上，并在映射有标准点的位置添加对应的标准点信息识别标记；
所述组合单元用于将添加有标准点信息识别标记的虚实映射图与实景图像组合，以形成增益组合图像；
所述虚拟现实构建单元，用于根据预设的构建方案和所述增益组合图像，执行相应的运算和虚拟绘图，并将虚拟绘图发送给虚实更新调节单元、虚拟现实冲突检测单元、以及虚拟现实有效性判断单元；所述虚拟现实构建单元包括一由图像处理单元群组组成的联合虚拟绘图单元；当任务所有虚拟现实转换完成之后，所述联合虚拟绘图单元进行3D虚拟绘图，并将3D虚拟绘图发送至虚实更新调节单元、虚拟现实冲突检测单元、以及虚拟现实有效性判断单元；
所述虚拟现实冲突检测单元用于根据虚拟现实构建单元的虚拟绘图执行虚拟现实冲突检测，并将检测结果输出至虚实更新调节单元；
所述虚拟现实有效性判断单元用于根据虚拟现实构建单元的虚拟绘图执行虚拟图像转换的有效性，并将检测结果输出至虚实更新调节单元；
所述虚实更新调节单元用于根据所述虚拟现实构建单元生成的虚拟绘图以及虚拟现实冲突检测单元和虚拟现实有效性判断单元的检测结果对虚拟绘图进行更新调节，以生成精确虚拟图像；
所述实时图像帧编码调制单元，用于对生成的精确虚拟图像进行编码调制，并将其发送给所述移动终端的实时图像帧解码解调单元；
所述虚实转换建立单元具体包括：
区域化单元，用于建立所述虚实映射图，并将所述虚实映射图划分为多个均匀的区域；
标准点映射单元，用于将所获取的标准点按照标准点之间的相互位置关系通过采样变换分别映射于所述虚实映射图的对应区域中；
识别标记添加单元，用于在映射有标准点的区域上添加对应的标准点信息识别标记；
区域参数设置单元，用于设置所述区域的参数，所述参数包括展示所述虚拟图像时显示所述区域或者隐藏所述区域。
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