CN105320820A - 基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统，包括头戴式显示器，其特征在于所述头戴式显示器，用以显示计算机输出的图像信号；惯性传感器，用以获得头坐标数据；红外体感控制器，用于获得手部信息；计算机，建立座舱模型，在场景中加入座舱模型，根据惯性传感器和红外体感控制器输出的信息计算出相应的虚拟手模型以及其在虚拟世界中的坐标数据，并根据计算出的坐标数据进行相关的场景更新，并将所述场景输出至头戴式显示器。本发明通过便携式的设备实现沉浸式交互体验，其中包括机载设备的启动与关闭等，然后可根据用户身临其境的虚拟体验得到的反馈来改进座舱设计方案，从而达到缩短研发周期和降低整体研制成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及快速座舱设计领域，特别是一种基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统及方法。
背景技术
虚拟现实(VirtualReality,简称VR)技术是系统仿真中新兴技术之一。它实际上是一种采用计算机技术制作仿真的假想世界的技术,它采用计算机产生一个被仿真世界的动态、三维视觉环境,使操作者产生一种身临其境的感觉,对探讨大量需要借助形象思维的问题颇有帮助。目前，国内多数座舱设计人员依然在使用计算机平面显示或依靠大型3D投影设备展示设计效果的方法来进行座舱的设计。这些方法依然存在着设计开发周期长、座舱实际效果不直观和高成本的问题。
发明内容
本发明提供一种基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统，可以有利于解决现有的设计开发周期长、效果不直观、成本高的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统，包括头戴式显示器，其特征在于所述头戴式显示器包括左眼显示器和右眼显示器，用以显示控制单元输出的图像信号；惯性传感器，内置于所述头戴式显示器内，用以获得头坐标数据；红外体感控制器，所述红外体感控制器固定在头戴式显示器的前侧，且位于左眼显示器和右眼显示器瞳孔位置的中线上，用于获得头坐标系中的手部信息；计算机，建立座舱模型，在场景中加入座舱模型，根据惯性传感器输出的坐标变化信息计算出头坐标的变化情况；同时，由红外体感控制器输出的头坐标系中的手部信息计算出相应的虚拟手模型以及其在虚拟世界中的坐标数据，并根据计算出的坐标数据进行相关的场景更新，并将所述场景处理成左眼对应的图像信号和右眼对应的图像信号，分别输出至左眼显示器和右眼显示器。
所述的场景更新包括当虚拟手模型任意部位触碰到预置在座舱模型中开关位置的触发器时，触发相应的事件。
所述基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统的控制方法，包括以下步骤：A、建立座舱模型，在场景中加入座舱模型；B、根据内置于头戴式显示器的惯性传感器输出的坐标变化信息计算出头坐标的变化情况；C、由红外体感控制器输出的头坐标系中的手部信息计算出相应的虚拟手模型以及其在虚拟世界中的坐标数据，并根据计算出的坐标数据进行相关的场景更新；D、将所述场景处理成左眼对应的图像信号和右眼对应的图像信号，分别输出至左眼显示器和右眼显示器。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统进行设计的方法，可以有利于解决现有的设计开发周期长、效果不直观、成本高的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种利用所述基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统进行设计的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：A、3DMAX建立座舱模型；B、导入到Unity3D引擎；C、制作专属材料；D、建立灯光系统；E、编写虚拟人机交互脚本；F、检查座舱模型是否保持一体化，如是则转入G，如否则转入I；G、打包发布程序；H、进行用户体验，判断是否需要改进，若不需改进则座舱设计完成，若需要改进则转入I；I、座舱布局优化，修改座舱各部件材质，修改座舱各部件大小，修改座舱各部件位置，修改完成后转入F。
本发明可以有利于解决现有的设计开发周期长、效果不直观、成本高的问题。本发明涉及一种虚拟现实的快速座舱设计方法，包括软硬件平台的要求、座舱布局设计和人机交互体验设计，其特征在于：软件开发平台主要依靠拥有完美的程序开发生态链的虚拟仿真引擎Unity3D；硬件平台主要由内部嵌入了惯性传感器的头戴式显示器、红外体感控制器和高性能计算机组成，尤其是，红外体感控制器和头戴式显示器是固定在一起的；在Unity3D中可以进行调色并且直接更换座舱内任意部件的材质，也可以进行对任意虚拟仪表和座椅的大小、位置和姿态进行调试；软件平台支持使用多种编程语言进行交互开发。本发明的优点在于：本方法可以便捷地实现座舱内饰颜色的快速改变，并且可通过便携式的设备实现沉浸式交互体验，其中包括机载设备的启动与关闭等，然后可根据用户身临其境的虚拟体验得到的反馈结果来改进座舱的布局设计，所以，这种方法既可以提高设计效率，也可以缩短研发周期和降低整体研制成本。
附图说明
图1为本发明中体感控制器和头戴式显示器的位置说明。
图2为本发明中惯性传感器的坐标系，即头坐标系。
图3为本发明中红外传感器的坐标系。
图4为本发明中虚拟现实平台的工作原理图。
图5为本发明中计算机虚拟出的手部模型图像。
图6为本发明中基于虚拟现实平台的快速座舱设计方法流程图。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
具体实施方式
如图所示，一种基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统，包括头戴式显示器1，其特征在于所述头戴式显示器1包括左眼显示器和右眼显示器，用以显示控制单元输出的图像信号；惯性传感器，内置于所述头戴式显示器内，用以获得头坐标数据；红外体感控制器2，所述红外体感控制器固定在头戴式显示器的前侧，且位于左眼显示器和右眼显示器瞳孔位置的中线上，用于获得头坐标系中的手部信息；计算机，建立座舱模型，在场景中加入座舱模型，根据惯性传感器输出的坐标变化信息计算出头坐标的变化情况；同时，由红外体感控制器输出的头坐标系中的手部信息计算出相应的虚拟手模型以及其在虚拟世界中的坐标数据，并根据计算出的坐标数据进行相关的场景更新，并将所述场景处理成左眼对应的图像信号和右眼对应的图像信号，分别输出至左眼显示器和右眼显示器。
虚拟手可以与座舱内的虚拟屏进行虚拟触碰交互，所述的场景更新包括当虚拟手模型任意部位触碰到预置在座舱模型中开关位置的触发器时，就会触发相应的事件。例如，如果虚拟手触碰到机内照明灯的开关，机内灯就会打开或关闭。虚拟手可以在虚拟显示屏上选中按钮进行移动，从而可以调节显示屏和灯的亮度。
如图所示，优选地，所述红外体感控制器固定在头戴式显示器的前侧，且位于左眼显示器瞳孔位置和右眼显示器瞳孔位置的中线上，且与左眼显示器瞳孔位置和右眼显示器瞳孔位置连线之间保持一定距离，需要通过预置在虚拟现实软件平台内的虚拟体感控制器与虚拟双眼瞳孔连线之间的距离按模型比例计算得到真实世界距离。因为只有做到虚拟场景与现实场景的比例参数同步才能保证体验者在进行虚拟交互时，得到较好的视觉效果，即保证真实感。当然，这个数值是可以根据实际情况来进行调节的。所述红外体感控制器由红外LED和灰阶摄像头组成，红外体感控制器以头坐标系作为参考坐标系。虚拟手的移动范围可以覆盖整个座舱。
首先，将红外体感控制器按照附图中图1所示的状态固定在头戴式显示器上，所以，在真实世界中，体感控制器和头戴式显示器的姿态总是保持相对一致。
红外体感控制器通过红外LED和灰阶摄像机采集外部图像数据，计算机会迅速对这些图像数据进行识别处理，从而得到相对于头部姿态的手部状态信息。然后，计算机会根据惯性传感器输出的坐标变化信息快速计算出头坐标（动坐标系）的变化情况；同时，由头坐标系中的手部信息可以计算出相应的虚拟手模型以及其在虚拟世界中的坐标数据。这样就可以保证虚拟交互操作在视觉上的真实性。
内部嵌入了惯性传感器的头戴式显示器与计算机通过USB2.0端口和HDMI1.3兼容接口连接，体感控制器与计算机通过USB2.0接口连接。
图6为本发明中基于虚拟现实平台的快速座舱设计方法流程图。
一种利用所述基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统进行设计的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：A、3DMAX建立座舱模型；B、导入到Unity3D引擎；C、制作专属材料；D、建立灯光系统；E、编写虚拟人机交互脚本；F、检查座舱模型是否保持一体化，如是则转入G，如否则转入I；G、打包发布程序；H、进行用户体验，判断是否需要改进，若不需改进则座舱设计完成，若需要改进则转入I；I、座舱布局优化，修改座舱各部件材质，修改座舱各部件大小，修改座舱各部件位置，修改完成后转入F。
进行用户体验时，虚拟现实平台的具体运算流程如图4。根据内置于头戴式显示器的惯性传感器输出的坐标变化信息计算出头坐标的变化情况；由红外体感控制器输出的头坐标系中的手部信息计算出相应的虚拟手模型以及其在虚拟世界中的坐标数据，并根据计算出的坐标数据进行相关的场景更新；将所述场景处理成左眼对应的图像信号和右眼对应的图像信号，分别输出至左眼显示器和右眼显示器。
为简化设计流程，本发明在开发初期使用CATIA和3DMAX建立完整的座舱模型。然后将建立好的座舱模型以100：1的比例导入Unity3D开发引擎内，在场景中加入座舱模型，HMD双眼输出相机模型，体感控制器输入模型并进行必要的体积、位置和空间姿态调节，以确保虚拟场景中视觉图像的真实度。
在发明中，设计人员可以通过Unity3D引擎调整座舱内部各个设备的位置、大小和姿态以达到最佳的人机交互体验。
在Unity3D中，选中目标，在右侧的Inspector信息栏中可以看到目标的材质属性，这里选中颜色可以进入调色板，根据RGB配色原理可以调配出期望的颜色，然后可以保存作为一种新的材质替换掉原来的材质，从而达到改变座舱内任意部件颜色的目的。
在本发明中，当虚拟手模型任意部位触碰到预置在开关位置的触发器时，就会触发相应的事件。例如，如果虚拟手触碰到机内照明灯的开关，机内灯就会打开或关闭。同时，本发明中还可以提供复杂的虚拟操作，例如，虚拟手可以在虚拟显示屏上选中按钮进行移动，从而可以调节显示屏和灯的亮度。
以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统，包括头戴式显示器，其特征在于所述头戴式显示器包括左眼显示器和右眼显示器，用以显示控制单元输出的场景；惯性传感器，内置于所述头戴式显示器内，用以获得头坐标数据；红外体感控制器，所述红外体感控制器固定在头戴式显示器的前侧，且位于左眼显示器和右眼显示器瞳孔位置的中线上，用于获得手部坐标数据；控制单元，建立座舱模型，在场景中加入座舱模型，根据惯性传感器输出的坐标变化信息计算出头坐标的变化情况；同时，由红外体感控制器输出的头坐标系中的手部信息计算出相应的虚拟手模型以及其在虚拟世界中的坐标数据，并根据计算出的坐标数据进行相关的场景更新，并将所述场景分成左眼对应的图像信号和右眼对应的图像信号，分别输出至左眼显示器和右眼显示器。
2.如权利要求1所述的一种基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统，其特征在于所述的场景更新包括当虚拟手模型任意部位触碰到预置在座舱模型中开关位置的触发器时，触发相应的事件。
3.如权利要求1所述的一种基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统，其特征在于：红外体感控制器由红外LED和灰阶摄像头组成。
4.如权利要求1所述的一种基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统，其特征在于：红外体感控制器以头坐标系作为参考坐标系。
5.如权利要求1所述的一种基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统的控制方法，其特征在于：所述基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统的控制方法，包括以下步骤：A、建立座舱模型，在场景中加入座舱模型；B、根据内置于头戴式显示器的惯性传感器输出的坐标变化信息计算出头坐标的变化情况；C、由红外体感控制器输出的头坐标系中的手部信息计算出相应的虚拟手模型以及其在虚拟世界中的坐标数据，并根据计算出的坐标数据进行相关的场景更新；D、将所述场景处理成左眼对应的图像信号和右眼对应的图像信号，分别输出至左眼显示器和右眼显示器。
6.一种利用所述基于沉浸式虚拟现实平台的快速座舱设计系统进行设计的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：A、利用3DMAX建立座舱模型；B、导入到Unity3D引擎；C、制作专属材料；D、建立灯光系统；E、编写虚拟人机交互脚本；F、检查座舱模型是否保持一体化，如是则转入G，如否则转入I；G、打包发布程序；H、进行用户体验，判断是否需要改进，若不需改进则座舱设计完成，若需要改进则转入I；I、座舱布局优化，修改座舱各部件材质，修改座舱各部件大小，修改座舱各部件位置，修改完成后转入F。
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