CN104914993A - 一种手势控制民机客舱座椅调整的体验式设计方法 - Google Patents

Abstract

一种手势控制民机客舱座椅调整的体验式设计方法，该方法利用动作捕捉设备及数据传输接口，通过基于人体手势的识别和交互方法，开发设计手势交互系统，提供了一种在沉浸式立体显示环境下，实现手势控制民机客舱座椅调整的体验式人机交互设计。该方法主要包括以下几个步骤：步骤1：设计者穿戴动作捕捉数据衣设备；步骤2：通过手势交互控制系统控制相关参数的输入、选择和调整；步骤3：动作捕捉系统进行手势动作捕捉，解析手势动作并参数化；步骤4：立体显示系统接收参数并生成民机客舱沉浸式虚拟仿真环境；步骤5：设计者在民机客舱沉浸式虚拟仿真环境中体验设计效果；步骤6：设计者判断设计效果是否达到预期目标，如果满足，进入步骤7；如果不满足，重复步骤2、3、4、5；步骤7：保存设计方案。

Description

一种手势控制民机客舱座椅调整的体验式设计方法

技术领域

本发明为一种手势控制民机客舱座椅调整的体验式设计方法，解决民机客舱座椅布局布置设计过程中无法直观体验设计效果等问题，属于虚拟仿真领域。

背景技术

民用飞机的客舱布置是民用飞机设计中的重要一步。客舱的布置需要满足飞机的使用性、舒适性、安全性、维护性、经济性的要求。随着大型客机的不断发展，客舱的使用面积增大，乘客的多元化需求增多，使客舱布局布置有了更高的个性化需求。客舱布局布置已经不再是简单的用座椅塞满客舱，而是更注重乘客的体验。为了更好的乘客体验，提高航空公司竞争力，航空公司需要提供宽敞的座位间隔和过道、高度合适的行李架、具有美感的舱内装饰风格、具有个性的乘客活动空间等。然而传统的民机客舱布局布置设计是通过二维平面图或者三维建模软件进行设计，都难以使设计人员对设计方案有身临其境的直观感受，使得设计方案在完成实物样机后还需要反复修改，增加了设计成本。

另一方面，虚拟现实技术的快速发展，使得在计算机中创建一个虚拟场景，并让人感觉置身其中已成为可能。虚拟现实技术以计算机图形显示技术为核心，借助计算机生成一种可以体验和交互，包括全体虚拟环境和给定仿真对象的虚拟世界。虚拟现实技术的突出特点是可以实现人机动态交互，利用虚拟现实技术的交互性，可以实现把人对实验所带来的变化作为一个重点因素加以考虑，使其充分作用于实验结果。

因此，采用虚拟现实技术并结合动作捕捉设备进行民机客舱的布局布置设计，将给民机的设计方式带来极大的创新，使设计人员在设计的同时就能够对设计方案进行评估，提高设计效率，减少后期由于设计方案不合理而造成的设计更改。

发明内容

本发明利用动作捕捉设备及数据传输接口，通过基于人体手势的识别和交互方法，开发设计手势交互系统，提供了一种在沉浸式立体显示环境下，通过手势控制民机客舱座椅调整的体验式人机交互设计方法。

本发明的目的在于提供一种在沉浸式立体显示环境下，通过手势控制民机客舱座椅调整的体验式人机交互设计方法，应用该方法，在民用客机和公务机客舱布置设计阶段，设计人员能够在调整座椅排布以后直观的体验到设计效果，从而对设计方案进行评估，达到提高设计效率的目的。

本发明是一种通过手势控制民机客舱座椅调整的体验式人机交互设计方法，其主要内容是：设计者穿戴动作捕捉数据衣设备，在沉浸式立体显示环境中通过手势交互控制系统控制相关参数及命令输入，动作捕捉系统进行手势动作捕捉，解析手势动作并参数化，然后立体显示系统接收参数并生成民机客舱沉浸式虚拟仿真环境，设计者在民机客舱沉浸式虚拟仿真环境中体验设计效果，并判断设计效果是否达到预期，最后保存设计方案。

本发明是一种通过手势控制民机客舱座椅调整的体验式人机交互设计方法，该方法的具体步骤如下：

步骤1：设计者穿戴动作捕捉数据衣设备；

步骤2：通过手势交互控制系统控制相关参数的输入、选择和调整；

步骤3：动作捕捉系统进行手势动作捕捉，解析手势动作并参数化；

步骤4：立体显示系统接收参数并生成民机客舱沉浸式虚拟仿真环境；

步骤5：设计者在民机客舱沉浸式虚拟仿真环境中体验设计效果；

步骤6：设计者判断设计效果是否达到预期目标，如果满足，进入步骤7；如果不满足，重复步骤2、3、4、5；

步骤7：保存设计方案。

本发明中涉及到的系统介绍：

动作捕捉系统采用A.R.T.(Advanced Real-time Tracking)光学式动作捕捉设备，主要由追踪摄像机、追踪软件和交互设备组成，能实时录制操作人员的工作姿势，自动控制身体平衡，具有高精度实时跟踪，校准灵活和强抗干扰等优点。

立体显示系统由洞穴式多屏幕立体显示环境构成，主要包括专业虚拟现实工作站、多通道立体投影系统、虚拟现实多通道立体投影软件系统、房间式立体成像系统4部分。

附图说明

图1是通过手势控制民机客舱座椅调整的体验式人机交互设计方法流程图；

图2是菜单的选择输入方式说明示意图；

图3是输入量的选择输入方式说明示意图；

图4是视角控制的选择输入方式说明示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施实例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施实例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。

如图1所示，本发明所述的手势控制民机客舱座椅调整的体验式设计方法，包括：

步骤1：设计者穿戴动作捕捉数据衣设备；动作捕捉数据衣设备采用光学式运动捕捉方式，通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。设计者需要穿戴的动作捕捉数据衣设备主要有带空间定位标记点的3D眼镜和数据手套。

步骤2：通过手势交互控制系统控制相关参数的输入、选择和调整；

通过手势交互控制进行输入的形式主要有四种：

1.菜单的选择。如图2所示，在人体右臂曲臂处于胸前时，显示菜单，菜单为环形，根据右小臂与水平面的角度选择对应的菜单选项。环形菜单相比较平铺图标界面能够更有效率的选择对象，同比避免了类似桌面操作方式中的鼠标指针，更为人性化。当手臂旋转到某个角度是，菜单也显示对应角度的某个选项。由于使用了数据手套，能够识别手部动作，当右手握拳时表示确认该选择。

2.输入量的选择。当使用者需要输入一些数值进行设置时，在桌面操作一般使用键盘进行输入。在已知输入量范围内的情况下，通常也应用滑块控件，用鼠标进行输入量的输入。本发明采用自然交互方式，没有键盘输入，根据捕捉到的双手之间的距离大小的相对值，确定输入值在设定范围内的区间。例如需要输入1-100之间的一个数，当双手靠近时，输入值越接近1，当双手远离时，输入值越接近100。同样是双手握拳为确认输入，如同点击鼠标确认。当输入量范围和双手距离尺寸很接近时(比如排距)，也可以采取捕捉双手间实际距离作为输入量，这样不仅直观方便输入，同时也能让使用者切身感受到设计参数在实际中的大小，有利于设计，如图3所示。

3.视角控制的选择。本发明设计了手势控制视角的移动和旋转，如图4所示。视角移动的方法为：当右手平直前伸时，视角向前移动，当右手向后伸时，视角向后移动，当右手向右平举时，视角向右移动，当右手向左平举时，视角向左移动；旋转视角的方法为：右手上臂保持在体侧位置，右小臂朝向正前方，此时系统将识别该动作，当保持1秒后，进入旋转视角状态，此时分别向上向下向左向右移动手臂，视角将随之旋转。

4.特定手势响应。当使用者做出预先设定好的手势动作时，程序对应这个手势动作做出响应，例如视角恢复为默认位置、改变环境灯光等。这些改变选项不便于加入到基本菜单中，所以通过设定特定手势的输入，来起到改变选项的作用。例如当向上挥动右臂时，客舱改变灯光模式，而当手臂平举，向下来回挥动时，视角位置恢复到默认位置。

步骤3：动作捕捉系统进行手势动作捕捉，解析手势动作并参数化；

动作捕捉系统采用A.R.T.(Advanced Real-time Tracking)光学式动作捕捉设备，主要由追踪摄像机、追踪软件和交互设备组成，能实时录制操作人员的工作姿势，自动控制身体平衡，具有高精度实时跟踪，校准灵活和强抗干扰等优点。

本发明采用MotionBuilder软件和VRPN协议设计了一种手势动作参数化解析和数据传输方法。MotionBuilder是AutoDesk公司的处理人物动作的软件，其中包括了实时架构，无损的动画层，非线性的故事板编辑环境和平滑的工作流程。VRPN(Virtual-Reality PeripheralNetwork,VRPN)由一系列的类库组成，提供一系列的服务在虚拟现实系统中实现应用程序与外围物理设备之间的网络透明接口。

步骤3.1编译VRPN源代码生成vrpn.lib文件，使MotionBuilder可以调用VRPN的相关函数。使用VRPN协议发送数据，需要引用vrpn.lib文件，并引用相关头文件(vrpn_tracker.h等)，定义Tracker类(即追踪点类)如下：

步骤3.2由vrpn_Tracker类继承，定义myVrpnTracker，声明构造和析构函数和mainloop函数，在函数中提取相关骨骼数据，赋值给vrpn的变量，调用附送数据函数发送数据，重载mainloop函数。具体代码如下：

步骤3.3应用MotionBuilder的SDK，在其中的Device模板中加入上述设定的Tracker类，将mainloop函数加入到AnimationNodeNotify消息循环中，生成的插件成为MotionBuilder中的一个Device类型，在MotionBuilder中加入新建立的这个设备，在MotionBuilder中不断提取骨骼数据并发送数据。具体代码如下：

步骤4：立体显示系统接收参数并生成民机客舱沉浸式虚拟仿真环境；

立体显示系统由洞穴式多屏幕立体显示环境构成，主要包括专业虚拟现实工作站、多通道立体投影系统、虚拟现实多通道立体投影软件系统、房间式立体成像系统4部分。

立体显示系统中的多通道立体投影系统采用三块被动立体背投屏幕，按照L型显示布局，右侧屏幕与中间屏幕成90度折角，左侧屏幕与中间屏幕平齐，成为一个大的前显示画面和一个右侧显示画面。5台专业虚拟现实工作站构成计算机集群，其中一台专业虚拟现实工作站做VR PACK主节点，三台图形工作站做渲染节点控制三个屏幕的立体图像输出，而另有一台工作站接收动作捕捉设备的采集的数据并应用MotionBuilder软件中转发送数据到VRPACK主节点上。使用者需佩戴偏振立体眼镜观看。

虚拟现实多通道立体投影软件系统采用Virtools软件，Virtools软件是完整的三维图像开发平台，通过图形化的模块方式开发程序。

VR PACK是Virtools软件的一个模块，通过VR PACK开发包可以为各种多机并行计算设计，方便配置在各种需要多通道立体显示的硬件环境中，同时支持虚拟现实的通用VRPN网络传输协议，可以支持多种空间定位和动作捕捉设备。

民机客舱沉浸式虚拟仿真环境中的座椅，客舱，以及客舱的相关内饰等三维模型使用3dsMax软件建立，根据建立好的模型在3ds Max中进行渲染和烘焙，将光影效果直接绘制到模型贴图上，不必在程序运行时实时计算贴图阴影。

步骤5：设计者在民机客舱沉浸式虚拟仿真环境中体验设计效果；

在虚拟环境中，设计者可以通过手势与程序进行交互，完成场景的视角移动和旋转，对相关物体可以进行点选并进行微调。通过移动视角或移动身体，可以在虚拟客舱中进行体验，评估座椅过道宽度是否合适，座椅排距是否合适。

步骤6：设计者判断设计效果是否达到预期目标，如果满足，进入步骤7；如果不满足，重复步骤2、3、4、5；

步骤7：保存设计方案。

Claims (7)

1.一种手势控制民机客舱座椅调整的体验式设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设计者穿戴动作捕捉数据衣设备；

步骤2：通过手势交互控制系统控制相关参数的输入、选择和调整；

步骤3：动作捕捉系统进行手势动作捕捉，解析手势动作并参数化；

步骤4：立体显示系统接收参数并生成民机客舱沉浸式虚拟仿真环境；

步骤5：设计者在民机客舱沉浸式虚拟仿真环境中体验设计效果；

步骤6：设计者判断设计效果是否达到预期目标，如果满足，进入步骤7；如果不满足，重复步骤2、3、4、5；

步骤7：保存设计方案。

2.如权利要求1中所述的设计方法，其特征在于，所述的设计方法利用动作捕捉设备，能够通过手势控制民机客舱座椅调整及设计。

3.如权利要求1中所述的设计方法，其特征在于，所述的设计方法能够在沉浸式立体显示环境下，使设计人员能够在调整座椅排布以后直观的体验到设计效果。

4.如权利要求1中所述的设计方法，其特征在于，所述的设计方法把包括动作捕捉系统和立体显示系统。

5.如权利要求1中所述的设计方法，其特征在于，所述的设计方法包含四种手势交互控制输入形式：菜单的选择输入方式，输入量的选择输入方式，视角控制的选择输入方式和特定手势输入方式。

6.如权利要求2中所述的设计方法，其特征在于，所述的设计方法采用MotionBuilder软件和VRPN协议设计了一种手势动作参数化解析和数据传输方法。

7.如权利要求3中所述的设计方法，其特征在于，所述的设计方法中立体显示系统包括专业虚拟现实工作站、多通道立体投影系统、虚拟现实多通道立体投影软件系统、房间式立体成像系统4部分。