CN106600705B - 在vr中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种VR中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：建立虚拟现实系统的环境数学模型，当输入各个环境变量时自动调整虚拟现实系统中环境画面的表现方式；步骤S2：在密闭空间内或者通过环境变量改变装置来模拟环境信号；待模拟的环境信号的来源为真实环境中传感器采集到的信号或通过VR系统中提前做好的某个动态库获得。当待模拟环境的相关变量发生改变时，采用本发明的技术方案能第一时间反应出来，使得VR场景更加真实，提高用户体验。

Description

在VR中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法

技术领域

本发明属于虚拟现实技术，具体涉及一种VR中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法。

背景技术

虚拟现实通过计算机三维建模，对真实世界的物品、场景等进行模拟仿真，但是这种仿真是静态的，当真实环境的相关变量发生改变时，并不能第一时间反应出来；从对虚拟现实内容体验角度来看，当内容涉及的环境变量发生改变时，体验者所处的真实环境并不会因此发生改变，降低了体验者对VR画面的代入感。

发明内容

本发明的目的是提供一种VR中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法及装置，通过使用环境类传感器，网络通信技术及虚拟现实系统的后台程序调用，实现将现实信号实时导入VR系统的一种方法及装置，将各种变化后的信号在VR中进行画面呈现，并可通过密闭空间或者装置设备对采集到的信号进行模拟还原。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种VR中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法，其包括以下步骤：步骤S1：建立虚拟现实虚拟现实系统中环境数学模型，当输入各个环境变量时自动调整虚拟现实系统中环境画面的表现方式；步骤S2：在密闭空间内或者通过环境变量改变装置来模拟环境信号；待模拟的环境信号的来源为真实环境中传感器采集到的信号或通过VR系统中提前做好的某个动态库获得的；其中步骤S1的环境数学模型建立包括以下步骤：在虚拟现实系统中环境变量的表现方式由光源种类模块（LT）、光源参数模块（LP）、特效处理模块（S）、材质模块（M）、粒子模块（P）、雾模块（R）共同作用呈现，上述各个模块的元素集合分别记做A、B、C、D、E、F，定义集合Y：Y=A∪B∪C∪D∪E∪F,定义y∈Y，其中A⊆Y，B⊆Y，C⊆Y，D⊆Y，E⊆Y，F⊆Y；环境变量以温度（t），湿度（h），PM2.5或PM10（p），光照（i）为主要环境变量因子，考虑到相同的一组环境变量（t,h,p,i）对不同模块中元素y的取值影响各不相同，分别记作函数：LT(t,h,p,i)、LP(t,h,p,i)、S(t,h,p,i)、M(t,h,p,i)、P(t,h,p,i)、R(t,h,p,i)；

y₁=LT(t,h,p,i),其中y₁∈A；

y₂=LP(t,h,p,i),其中y₂∈B；

y₃=S(t,h,p,i),其中y₃∈C；

y₄=M(t,h,p,i),其中y₄∈D；

y₅=P(t,h,p,i),其中y₅∈E；

y₆=R(t,h,p,i),其中y₆∈F；

当各个子集A、B、C、D、E、F中元素y的值都确定以后，虚拟现实系统环境中的光源种类模块（LT）、光源参数模块（LP）、特效处理模块（S）、材质模块（M）、粒子模块（P）、雾模块（R）表现方式就确定了。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：当真实环境的相关变量发生改变时，能第一时间反应出来，使得VR场景更加真实，提高用户体验；从对虚拟现实内容体验角度来看，当内容涉及的环境变量发生改变时，体验者所处的真实环境会迅速发生改变，大大提高了体验者对VR画面的代入感。

附图说明

图1为本发明VR中关于虚拟环境模拟真实环境的组网示意图。

图2为本发明一实施例中虚拟现实系统中风速风向求取示意图。

图3为本发明体验者所处的体验环境模拟的流程示意图。

图4为本发明一实施例中的体验者环境参数（风速）模拟的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

本发明提供一种VR中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法，其包括以下步骤：步骤S1：建立虚拟现实系统中环境数学模型，当输入各个环境变量时自动调整虚拟现实系统中环境画面的表现方式；从而将真实环境的信号导入虚拟现实系统场景中，使虚拟现实系统中的场景自动发生变换。步骤S2：在密闭空间内或者通过环境变量改变装置来模拟环境信号；待模拟的环境信号的来源为实环境中传感器采集到的信号或通过VR系统中提前做好的某个动态库获得，此动态库中的环境变量参数，可以根据体验者在虚拟现实系统中所处的位置不同而自动发生变化。

其中环境参数可以通过以下传感器获取：

温湿度传感器：温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。

光照传感器：主要实现对光照强度的采集。光照强度,简称照度。一个被光线照射的表面上的照度定义为照射在单位面积上的光通量。设面元dS 上的光通量为dΦ，则此面元上的照度E为：E=dΦ/dS 。照度的单位为lx（勒克斯）,也有用lux的，1lx=1lm/㎡。照度表示物体表面积被照明程度的量。

风速传感器：用于检测风速及风向，其传感器组件由风速传感器、风向传感器、传感器支架组成。

PM2.5/PM10传感器：主要用于检测空气中PM2.5或者PM10的数值。

步骤S1包括以下步骤：

1.环境变量数学模型建立方法：

环境变量的改变会对以下一个或者多个模块的因子产生各不相同的影响，进而改变虚拟现实系统的画面展示效果，如下：

光源种类模块（集合A）：平行光光源、 定向光光源、聚光灯光源、点光源、天光光源、HDR光源、IES光源、自发光物体的光源等光源。

光源参数模块（集合B）：光源亮度参数值、光源颜色RGB通道信息参数值、光源影响范围参数值、光源色温参数值、光源衰减参数值、光源旋转参数值、光源坐标位置参数值等。

特效处理模块（集合C）：整体或是局部环境的亮度参数值、饱和度参数值、对比度参数值、颜色RGB通道信息参数值、色温参数值、HDR光源强度值等参数。

材质模块（集合D）：纹理、颜色RGB各通道参数值、透明度参数值、亮度参数值、饱和度参数值、高光参数值、光反射参数值、光折射参数值、菲涅尔参数值等。

粒子模块（集合E）：粒子出生随机数量值、粒子运动方向参数值、粒子随机运动参数值、粒子大小变化参数值、粒子存活时间参数值、粒子旋转值、粒子运动轨迹参数值等等各类相关的模型、材质与粒子模块属性参数等。

雾模块（集合F）：光照指数值、大气密度参数值、雾气密度参数值、雾密度衰减参数值、雾透明度参数值、雾散射参数值、雾气范围参数等

定义集合Y：Y=A∪B∪C∪D∪E∪F,定义y∈Y；

在虚拟现实系统中环境变量的表现方式由光源种类模块（LT）、光源参数模块（LP）、特效处理模块（S）、材质模块（M）、粒子模块（P）、雾模块（R）共同作用呈现，上述各个模块的元素集合分别记做A、B、C、D、E、F。其中A⊆Y,B⊆Y,C⊆Y,D⊆Y,E⊆Y,F⊆Y。本模型研究的环境变量以温度（t）,湿度（h），PM2.5/PM10（p），光照（i）为环境变量因子，考虑到相同的一组环境变量（t,h,p,i）对不同模块中元素y的取值影响各不相同，分别记作：LT(t,h,p,i)、LP(t,h,p,i)、S(t,h,p,i)、M(t,h,p,i)、P(t,h,p,i)、R(t,h,p,i)；将其表示为：

y₁=LT(t,h,p,i),其中y₁∈A；

y₂=LP(t,h,p,i),其中y₂∈B；

y₃=S(t,h,p,i),其中y₃∈C；

y₄=M(t,h,p,i),其中y₄∈D；

y₅=P(t,h,p,i),其中y₅∈E；

y₆=R(t,h,p,i),其中y₆∈F；

当任意一组环境变量数据（t,h,p,i）发生变化，均可能导致集合Y中的元素y的值发生改变，当各个子集A、B、C、D、E、F中元素y的值都确定以后，虚拟现实系统环境中的光源种类模块（LT）、光源参数模块（LP）、特效处理模块（S）、材质模块（M）、粒子模块（P）、雾模块（R）表现方式就确定了。

在本发明的另一实施例中：考虑到不同场景下或其他未考虑到的变量对y的影响,即使（t,h,p,i）值相同，但是表现效果可能不一样，特设置修正系数N，对光源种类模块（LT）、光源参数模块（LP）、特效处理模块（S）、材质模块（M）、粒子模块（P）、雾模块（R）对应的修正系数分别为、、、、、，最终表示为：

y₁=LT(t,h,p,i)+ ,其中y₁∈A；

y₂=LP(t,h,p,i)+ ,其中y₂∈B；

y₃=S(t,h,p,i)+ ,其中y₃∈C；

y₄=M(t,h,p,i)+ ,其中y₄∈D；

y₅=P(t,h,p,i)+ ,其中y₅∈E；

y₆=R(t,h,p,i)+ ,其中y₆∈F。

通过数学模型的展示界面，当输入相关环境变量值时，VR内容中的画面可以自动变换，以模拟不同的气候环境。

其中环境数学模型调用步骤如下：

1）数学模型的建立，可以将此数学模型做成动态链接库方式指向虚拟现实系统的环境变量模块。

2）为了将建好的数据模型应用于特定的VR场景中，在VR场景通过后台程序对该模型进行调用，此时模型尚未启用。

3）根据VR场景的真实情况（特定画面下的y值可直接从虚拟现实系统中读取），给该数学模型设定环境的初始变量。如当前画面的风速为3级，温度在25摄氏度，光照强度为1000lux，湿度为40%，从而确定修正系数N。

4）输入上述参数后，开始启用数学模型，和VR画面进行关联适配。

5）当需要模拟环境变化时，只要输入环境变量参数，VR内容中的画面呈现效果就会自动发生变化。

2.将真实环境的信号导入虚拟现实系统场景中，使虚拟现实系统中的场景自动发生变换。

通过传感器采集各种环境信号，包括但不限于温度、湿度、光照、风速、PM2.5/PM10。上述传感器采集到的信号最终反应在电压，电流等电气参数的差异上面。虚拟现实系统通过对传感器采集回传的电信号，结合传感器厂家给出的数值范围，从而对信号进行提取还原。

下面仅以通过计算机串口获取环境变量为例，但是计算机获取环境变量的方式多种多样，属于目前的通用技术（如通过以太网口获取，usb口获取，或者直接从网络天气预报或者气象部门提供的程序接口直接调用）：

在本发明一具体实施例中各类传感器采集数据并且将采集到的数据导入到虚拟现实系统的方法例举如下：

虚拟现实系统以同步方式打开串口(根据传感器的类型的不同，端口也可能不同，例如端口可设置成COM3。该串口允许读和写的操作)—>设置串口的设备控制块 (根据传感器的类型的不同，设置也可能不同，例如可以设置成1位停止位、无校验、波特率为38400、8位通信位)—>设置串口输入输出缓冲区的大小 (输入缓冲区的大小为1024字节，输出缓冲区的大小为1024字节)—>设置串口超时参数(读字符间隔超时时间为2ms、读操作时每字符的时间为1ms、基本的(额外的)读超时时间为10ms、写操作时每字符的时间为1ms、基本的(额外的)写超时时间为1ms)—>清空缓冲区(设备驱动程序清除输出缓冲区和输入缓冲区)—>创建读串口的新线程，该线程读取串口的数据，并且将读取到的数据保存到全局变量中，该线程每5ms（该参数可调整）读取一次串口的数据—>创建解析读取到的数据的新线程，每5ms（该参数可调整）解析一次。解析的流程是：获取读线程读取到的数据，并且做校验和检验，然后根据不同类型的传感器解析出光照、温度、湿度、风速风向、PM2.5\PM10、降雨\雪量等数据，此处是根据命令位来进行解析得到环境信号数据。如果不需要继续读取相关环境信号数据，则停止读线程和解析线程，并关闭串口。

3.通过常用的3D图形软件(如Maya、3ds max)对待模拟的真实环境进行计算机的三维建模。然后将建好的3D模型导入到虚拟现实系统中，进行相关的程序设计及相关修改。

4.对导入虚拟现实系统的真实环境信号进行提取，使虚拟现实系统输出的不同模块中元素y自动发生变化。下面分别阐述在虚拟现实系统中对不同环境变量信号的处理方法。

1）光照信号

在VR系统接收到前端的光照传感器传送的时实信号后，经虚拟现实系统的数据解析处理，自动适配到环境的数学模型中。根据场景所模拟的野外、户外、洞穴、水底、室内等不同的自然或人工环境，结合待模拟场景所处的不同经纬度、海拨高度、因时间变化而产生的日夜转换、天气变化等特性所接收到的自然光照信息或人工光源信号，将得到的数值匹配到以下能表现光照变化而产生视觉效果的VR系统模块中：

在光源种类模块、光源参数模块、特效处理模块（分别对应集合A，B，C）中，将解析出的时实信号作为一个变量值和其他环境变量因子共同确定集合A，B，C中的元素y_1、y_2、y₃ 的值，来模拟虚拟现实环境中因光照信息变化而产生的环境整体或是局部变化的视觉效果；

2）温度信号

在VR系统接收到前端温度传感器传送的时实信号后，经VR系统的数据解析处理，自动适配到环境的数学模型中。根据场景所模拟的不同地理环境，结合场景所处的不同经纬度、海拨高度、气侯变化或是沙漠、海洋、高原、溶洞、水底、篝火边等特殊环境与情景的特征，感受到的不同温度强度的特性，将得到的数值匹配到以下能表现温度变化而产生视觉效果的VR系统模块中：

A、在各种会因温度变化而产生自我属性值变化的光源体中，将解析出的时实信号转送到因温度变化而发生亮度、颜色等属性变化的光源参数模块(包含集合B中所有元素)，来模拟虚拟现实环境中因温度变化而产生的光源环境整体或是局部变化的视觉效果；

B、在后期特效处理模块中，将解析出的时实信号转送到后期特效模块(包含集合C中所有元素)，模拟虚拟现实环境中因温度变化产生的光源环境整体或是局部变化的视觉效果；

C、物体的物理特征会随着温度而发生改变，例：燃烧中的木块在燃烧部分会产生红色的自发光现像，还会产生火焰与烟尘；高温中的金属也会产生红色的自发光现像；冰融化成水；水蒸发成气体等。在模拟物体因温度变化而发生自我物理属性形态变化的各模型、材质、粒子特效模块中预先设好模型的大小变化参数值、物理属性参数值等。将解析出的时实信号转送到各种模型材质(包含集合D中所有元素)与粒子模块(包含集合E中所有元素)中，模拟虚拟现实环境中，因温度变化产生的冰融化、水蒸汽产生、物体燃烧并产生的火焰与烟尘等变化的视觉效果；

3）湿度信号

在VR系统接收到前端湿度传感器传送的时实信号后，经VR系统的数据解析处理，自动适配到环境的数学模型中。根据场景所模拟的地理环境，结合经纬度、海拨高度或是洞穴、沼泽、丛林等特殊环境的特征，将得到的数值匹配到以下能表现湿度变化而产生视觉效果的VR系统模块中：

A、将解析出的时实信号转送到雾属性模块(包含集合F中所有元素)中，来模拟虚拟现实环境中因湿度产生的雾气浓度变化的视沉觉效果；

B、在模型材质模块中，针对容易产生湿度变化视觉效果的云雾模型材质、各类物体的模型表面材质，将解析出的时实信号转送到各种模型材质(包含集合D中所有元素)中，模拟虚拟现实环境中，因湿度变化产生的能见度与各物体表面程现出的干燥或潮湿的视觉效果；

C、将解析出的时实信号转送到后期特效处理模块(包含集合C中所有元素)中，模拟虚拟现实环境中，因湿度变化产生的环境整体或是局部的亮度、饱和度、色温与能见度变化的视觉效果。

4）PM2.5/PM10

在VR系统接收到PM2.5\PM10传感器传送的时实信号后，经VR系统的数据解析处理，自动适配到环境的数学模型中。根据场景所模拟的环境，结合会产生PM2.5\PM10的自然源和人为源因素（自然源包括土壤扬尘、海盐、、植物花粉、孢子、细菌等，自然界中的灾害事件，如火山爆发向大气中排放了大量的火山灰，森林大火或裸露的煤原大火及尘暴事件都会将大量细颗粒物输送到大气层中; 人为源包括固定源和流动源，固定源包括各种燃料燃烧源，如发电、冶金、石油、化学、纺织印染等各种工业过程、供热、烹调过程中燃煤与燃气或燃油排放的烟尘，流动源主要是各类交通工具在运行过程中使用燃料时向大气中排放的尾气），将得到的数值匹配到以下能表现PM2.5\PM10变化而产生视觉效果的VR系统模块中：

A、将解析出的时实信号转送到雾属性模块(包含集合F中所有元素)中，来模拟虚拟现实环境中因湿度产生的PM2.5\PM10浓度变化的视沉觉效果；

B、将解析出的时实信号转送到各种模型材质(包含集合D中所有元素)与粒子模块(包含集合E中所有元素)中，模拟虚拟现实整体或是局部环境中，因PM2.5\PM10变化产生的颗粒物的能见度大小、浓度、运动变化等视觉效果。

C、将解析出的时实信号转送到后期特效处理模块(包含集合C中所有元素)中，模拟虚拟现实环境中因PM2.5\PM10变化产生环境整体或是局部的能见度与大气浓度变化发生的亮度、饱和度、色温与能见度变化的视觉效果。

5)降雨/降雪信号

在VR系统接收到前端传送的降雨\雪量传感器时实信号后，经VR系统的数据解析处理，根据场景所模拟不同环境的下雨或下雪情况，预先设好表现雨或雪的模型大小变化参数值、物理属性参数值等；材质的各种参数(包含集合D中所有元素)；粒子模块的各种参数(包含集合E中所有元素)。将解析出的时实信号转送到各种模型材质与粒子模块所对应的属性参数预设值中，模拟虚拟现实环境中，因天气变化而发生下雨、下雪这类现象的视觉效果。

6）风速风向信号

在VR系统接收到前端传送的风速风向时实信号后，经VR系统的数据解析处理，根据场景所模拟的各类开放或密闭环境，将得到的数值匹配到以下能表现风速风向变化而产生视觉效果的VR系统模块中：

A、在虚拟现实中因受风速风向影响而产生运动或自身形态变化等视觉效果的物体（如：草受风力的影响会产生摇摆运动，树木受风力的影响会产生枝叶摇摆运动与落叶现象、布料物件会受风力影响会产生鼓动、飘动、晃动等现像 ，水面被风吹产生的涟漪，风车扇叶因风力风速影响产生的转动等等），在这些物体的模型中通过绑定骨骼、刷模型顶点区分受力点变化或是在这些物体的模型材质物理属性模块中设置好各自物理属性的刚体参数值、柔体参数值、碰撞参数值、阻尼参数值、物理约束参数值、弹力参数值、旋转参数值、速度参数值、模型细分参数值等各类参数值，再结合增加粒子特效效果（例如：在树上加上风吹落叶的粒子特效效果），来模拟物体受风力风速影响时产生出的各种视觉效果；

B、在各类型的风速风向属性模块中先分类设好风速参数值、阵风的最小与最大参数值、风向旋转参数值、风力范围参数值、衰减参数值等各类参数值。将解析出的时实信号转送到风速风向属性模块的各预设值中，来模拟虚拟现实环境中整体或局部风速参数值与风向的变化，从而反馈到因受风速风向变化而发生运动或自身形态变化物体所产生出的各种视觉效果；

C、利用各类型的重力模块来整体或局部模拟风速风向数值的变化，在重力属性模块中先分类设好重力参数值、所在世界位置变换参数值、重力方向旋转参数值、重力衰减参数值、重力范围参数值等各类可模拟风速风向的重力参数值。将解析出的时实信号转送到重力属性模块的各预设值中，来模拟虚拟现实环境中风速参数值与风向的变化，从而反馈到因受风速风向变化而发生运动或自身形态变化物体所产生出的各种视觉效果。

虚拟现实系统中风向的确定思想：

在虚拟现实系统中采用向量的思想来表示风向，在空间直角坐标系中，分别取与x轴、y轴，z轴方向相同的3个单位向量i，j，k作为一组基底。如图2所示，若a为该坐标系内的任意向量，以坐标原点O为起点作向量，由空间基本定理知，有且只有一组实数（x,y,z），使得

，因此把实数对（x,y,z）叫做向量a的坐标，记作a=（x,y,z）。这就是向量a的坐标表示。其中（x,y,z），也就是点P的坐标。如可用P点用来模拟重力模块的位置，向量表示风向；OP线段长度即表示风速的大小，不同的风速等级和重力参数值有一定的对应关系。如又可在风速风向模块中直接设置风速大小和方向，来模拟表示风的向量。

步骤S2包括以下步骤：

在密闭空间内或者通过环境变量改变装置来模拟环境信号，使体验者可以切身体会。待模拟的环境信号的来源可以是真实环境中传感器采集到的信号，也可以是针对某个VR场景在VR系统中提前做好的某个动态库中获得的，此动态库中的环境变量参数，可以根据体验者在虚拟现实系统中所处的位置不同而自动发生变化。控制流程图参见图3。

步骤S21：采集待模拟的环境信号。包含以下两种情况中的任意一种。

1）真实环境。

如需要模拟某些特殊场景的真实环境信号时，如模拟井下作业。在井下安装各种环境类传感器后，将各种环境信号回传至虚拟现实系统，虚拟现实系统作可作为环境的主控单元对环境信号进行模拟。将真实环境的各种环境信号定义为第一环境信号。

注：真实环境信号的获取包括但是不限于通过传感器方式获取，还包括通过网络天气预报等方式。

2）针对虚拟现实系统中的VR场景，当体验者体验到达虚拟现实场景时，通过动态库的方式提取环境信号，在密闭的空间或者特殊的环境体验装置进行环境模拟。将此处环境信号也定义为第一环境信号。

在前期动态库制作时中，对虚拟现实系统中环境变量提取考虑主要以下3个维度：

A．基于三维坐标（x,y,z）方式预设环境变量。在同一个VR场景中，不同物体模型所处的坐标是不一样的，当体验者处于虚拟现实场景中不同位置时，感受到的环境信号可能各不相同，如在瀑布下和在沙漠中感受到的湿度信号值不相同；在烈日下和在山洞中感受到的温度值不相同；在密闭房间里和在海边沙滩感受到的风速信号是不相同的。每个物体模型（如瀑布、沙漠、沙滩）对应三维坐标都有一个范围，在此范围内预设温度、湿度、风速、风向的值分别为（、、，）。针对体验者可能到达的每一个区域分别预设不同的环境信号值。

B．区域之间的环境信号的处理。此处以最简单的2个区域为例进行说明。区域1和区域2预设的环境信号值可能不相同。通过函数的思想，当体验者的坐标（x,y,z）发生变化时，使环境信号在区域1和区域2的取值之间进行柔和过渡。当完成A和B这两个维度的步骤后，针对体验者所处的任一个坐标（x,y,z）都有唯一的环境信号（t,h,w，θ）与之进行对应。

C． 预设突发事件对环境信号值的影响。主要考虑到体验者在虚拟世界中的坐标并未发生改变，但是由于突发事件的发生（这些突发事件程序都提前写好了），如一盆水浇到身上，在身边发生物体燃烧事件等等。当这些事件在体验者身上或者附近发生，需要提前预设这些环境值对体验者造成的环境值感受的变化。

步骤S22：所述环境信号改变装置安装在真实环境中，所述环境信号改变装置内预置温度、湿度、风速传感器，用于获取真实环境的环境变量信息，此处为第二环境信号；

环境信号改变装置的方法方式多种多样，此处仅以密闭空间为例举例说明一种方法：

在密闭的体验空间内安装温度湿度调节装置（如恒温恒湿空调），风速调节装置（如风扇）

空调的作用可以进行升温，降温，加湿去湿。温度湿度在密闭空间的分别基本都是均匀的，温度湿度控制属于常规实现方法，这两种信号此处不再赘述。此处仅说明风速风向的实现方法。

方法一：通过密闭空间内放置M个风扇（M为2的n次方个风扇，n=2,3,4...），风扇之间各成360/M角度，通过单个或者相邻两个风扇的位置来模拟风向，通过调节风扇输出风力的大小来模拟风速。

方法二：在体验区域外围设置圆形导轨，在导轨上设置立式风扇来模拟自然风，通过风扇在导轨上自由滑动来模拟风向，不管风扇在导轨如何运动，风扇的吹风始终指向圆心（体验者附近）。如图4所示。

步骤S23：将第一环境变信号和第二环境信号作为输入的参考值，计算二者环境信号的差值，通过环境信号控制单元采用闭环控制系统的思想对第二环境信号进行调节，使第二环境变量无穷接近第一环境变量。

闭环控制系统：由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种VR中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：建立虚拟现实系统的环境数学模型，当输入各个环境变量时自动调整虚拟现实系统中环境画面的表现方式；

步骤S2：在密闭空间内或者通过环境变量改变装置来模拟环境信号；待模拟的环境信号的来源为现实环境中传感器采集到的信号或通过VR系统中提前做好的某个动态库获得；

其中步骤S1的环境数学模型建立包括以下步骤：

在虚拟现实系统中环境变量的表现方式由光源种类模块(LT)、光源参数模块(LP)、特效处理模块(S)、材质模块(M)、粒子模块(P)、雾模块(R)共同作用呈现，上述各个模块的元素集合分别记做A、B、C、D、E、F，定义集合Y：Y＝A∪B∪C∪D∪E∪F,定义y∈Y，其中环境变量以温度(t)，湿度(h)，PM2.5或PM10(p)，光照(i)为环境变量因子，考虑到相同的一组环境变量(t,h,p,i)对不同模块中元素y的取值影响各不相同，分别记作函数：LT(t,h,p,i)、LP(t,h,p,i)、S(t,h,p,i)、M(t,h,p,i)、P(t,h,p,i)、R(t,h,p,i)；

y₁＝LT(t,h,p,i),其中y₁∈A；

y₂＝LP(t,h,p,i),其中y₂∈B；

y₃＝S(t,h,p,i),其中y₃∈C；

y₄＝M(t,h,p,i),其中y₄∈D；

y₅＝P(t,h,p,i),其中y₅∈E；

y₆＝R(t,h,p,i),其中y₆∈F；

当各个子集A、B、C、D、E、F中元素y的值都确定以后，虚拟现实系统环境中的光源种类模块(LT)、光源参数模块(LP)、特效处理模块(S)、材质模块(M)、粒子模块(P)、雾模块(R)表现方式就确定了；

步骤S2包括以下步骤：

步骤S21：采集待模拟的环境信号；模拟特定场景的真实环境信号时，在该真实环境中安装各种环境类传感器后，将各种环境信号回传至虚拟现实系统，或虚拟现实系统通过天气预报直接获取环境信息；虚拟现实系统作为环境的主控单元对环境信号进行模拟；将真实环境的各种环境信号定义为第一环境信号；针对虚拟现实系统中的VR场景，当体验者到达虚拟现实中特定场景时，通过动态库的方式提取环境信号，在密闭的空间或者通过特殊的环境体验装置进行环境模拟，将此处环境信号也定义为第一环境信号；

步骤S22：环境信号改变装置安装在体验者所处的真实环境中，所述环境信号改变装置内预置温度、湿度、风速传感器，用于获取体验者所处的真实环境的环境变量信息，此处为第二环境信号；

步骤S23：将第一环境变信号和第二环境信号作为输入的参考值，计算二者环境信号的差值，通过环境信号控制单元采用闭环控制系统对第二环境信号进行调节，使第二环境变量无穷接近第一环境变量；

其中，所述特定场景具体为不同经纬度、海拨高度或气侯变化的场景。

2.根据权利要求1所述的VR中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法，其特征在于：考虑到不同场景或变量对y的影响，即使(t,h,p,i)值相同，但是表现效果不一样，特设置修正系数N，对光源种类模块(LT)、光源参数模块(LP)、特效处理模块(S)、材质模块(M)、粒子模块(P)、雾模块(R)对应的修正系数分别为N_{y_LT}、N_{y_LP}、N_{y_S}、N_{y_M}、N_{y_P}、N_{y_R}，最终表示为：

y₁＝LT(t,h,p,i)+N_{y_LT},其中y₁∈A；

y₂＝LP(t,h,p,i)+N_{y_LP},其中y₂∈B；

y₃＝S(t,h,p,i)+N_{y_S},其中y₃∈C；

y₄＝M(t,h,p,i)+N_{y_M},其中y₄∈D；

y₅＝P(t,h,p,i)+N_{y_P},其中y₅∈E；

y₆＝R(t,h,p,i)+N_{y_R},其中y₆∈F。

3.根据权利要求1所述的VR中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法，其特征在于：所述步骤S1中还包括调用环境数学模型，具体步骤如下：

1)将所述环境数学模型以动态链接库的方式指向虚拟现实系统的环境变量模块；

2)在VR场景通过后台程序对该模型进行调用，此时模型尚未启用；

3)根据VR场景的真实情况，给该数学模型设定环境的初始变量；

4)输入环境参数后，开始启用数学模型，和VR画面自动进行关联适配；

5)当需要手工模拟环境变化时，输入新的环境变量参数，VR内容中的画面呈现效果自动发生变化。

4.根据权利要求3所述的VR中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法，其特征在于：步骤4)、5)中VR画面自动进行关联适配或变化具体包括以下几种情况：

1、光照信号

在VR系统接收到前端的光照传感器传送的时实信号后，经虚拟现实系统的数据解析处理，自动适配到环境的数学模型中；根据场景所模拟的自然或人工环境，结合待模拟场景所处的不同经纬度、海拨高度、因时间变化而产生的日夜转换及天气变化特性所接收到的自然光照信息或人工光源信号，将得到的数值匹配到以下能表现光照变化而产生视觉效果的VR系统模块中：

在光源种类模块、光源参数模块、特效处理模块中，将解析出的时实信号作为一个变量值和下述环境变量因子共同确定集合A，B，C中的元素y₁、y₂、y₃的值，来模拟虚拟现实环境中因光照信息变化而产生的环境整体或是局部变化的视觉效果；

2、温度信号

在VR系统接收到前端温度传感器传送的时实信号后，经VR系统的数据解析处理，自动适配到环境的数学模型中；根据场景所模拟的不同地理环境，结合场景所处的不同经纬度、海拨高度或气侯变化的特定环境与情景的特征，感受到的不同温度强度的特性，将得到的数值匹配到以下能表现温度变化而产生视觉效果的VR系统模块中：

y₁、在各种会因温度变化而产生自我属性值变化的光源体中，将解析出的时实信号转送到因温度变化而发生亮度、颜色及其他属性变化的光源参数模块，来模拟虚拟现实环境中因温度变化而产生的光源环境整体或是局部变化的视觉效果；

y₂、在后期特效处理模块中，将解析出的时实信号转送到后期特效模块，模拟虚拟现实环境中因温度变化产生的光源环境整体或是局部变化的视觉效果；

y₃、物体的物理特征会随着温度而发生改变，在模拟物体因温度变化而发生自我物理属性形态变化的各模型、材质、粒子特效模块中预先设好模型的大小变化参数值及物理属性参数值；将解析出的时实信号转送到各种模型材质与粒子模块中，模拟虚拟现实环境中，因温度变化产生的冰融化、水蒸汽产生、物体燃烧并产生的火焰与烟尘变化的视觉效果；

3、湿度信号

在VR系统接收到前端湿度传感器传送的时实信号后，经VR系统的数据解析处理，自动适配到环境的数学模型中；根据场景所模拟的地理环境，结合经纬度或海拨高度的特定环境的特征，将得到的数值匹配到以下能表现湿度变化而产生视觉效果的VR系统模块中：

y₁、将解析出的时实信号转送到雾属性模块中，来模拟虚拟现实环境中因湿度产生的雾气浓度变化的视沉觉效果；

y₂、在模型材质模块中，针对容易产生湿度变化视觉效果的云雾模型材质、各类物体的模型表面材质，将解析出的时实信号转送到各种模型材质中，模拟虚拟现实环境中，因湿度变化产生的能见度与各物体表面程现出的干燥或潮湿的视觉效果；

y₃、将解析出的时实信号转送到后期特效处理模块中，模拟虚拟现实环境中，因湿度变化产生的环境整体或是局部的亮度、饱和度、色温与能见度变化的视觉效果；

4、PM2.5\PM10

在VR系统接收到PM2.5\PM10传感器传送的时实信号后，经VR系统的数据解析处理，自动适配到环境的数学模型中；根据场景所模拟的环境，结合会产生PM2.5\PM10的自然源和人为源因素，将得到的数值匹配到以下能表现PM2.5\PM10变化而产生视觉效果的VR系统模块中：

y₁将解析出的时实信号转送到雾属性模块中，模拟虚拟现实环境中因湿度产生的PM2.5\PM10浓度变化的视沉觉效果；

y₂、将解析出的时实信号转送到各种模型材质与粒子模块中，模拟虚拟现实整体或是局部环境中，因PM2.5\PM10变化产生的颗粒物的能见度大小、浓度和运动变化的视觉效果；

y₃、将解析出的时实信号转送到后期特效处理模块中，模拟虚拟现实环境中因PM2.5\PM10变化产生环境整体或是局部的能见度与大气浓度变化发生的亮度、饱和度、色温与能见度变化的视觉效果；

5、降雨/降雪信号

在VR系统接收到前端传送的降雨\雪量传感器时实信号后，经VR系统的数据解析处理，根据场景所模拟不同环境的下雨或下雪情况，预先设好表现雨或雪的模型大小变化参数值、物理属性参数值；材质的各种参数；粒子模块的各种参数；将解析出的时实信号转送到各种模型材质与粒子模块所对应的属性参数预设值中，模拟虚拟现实环境中，因天气变化而发生下雨、下雪这类现象的视觉效果；

6、风速风向信号

在VR系统接收到前端传送的风速风向时实信号后，经VR系统的数据解析处理，根据场景所模拟的各类开放或密闭环境，将得到的数值匹配到以下能表现风速风向变化而产生视觉效果的VR系统模块中：

y₁、在虚拟现实中因受风速风向影响而产生运动或自身形态变化的视觉效果的物体，在这些物体的模型中通过绑定骨骼、刷模型顶点区分受力点变化或是在这些物体的模型材质物理属性模块中设置好各自物理属性的各类参数值，再结合增加粒子特效效果，来模拟物体受风力风速影响时产生出的各种视觉效果；

y₂、在各类型的风速风向属性模块中先分类设好风速参数值、阵风的最小与最大参数值、风向旋转参数值、风力范围参数值和衰减参数值；将解析出的时实信号转送到风速风向属性模块的各预设值中，来模拟虚拟现实环境中整体或局部风速参数值与风向的变化，从而反馈到因受风速风向变化而发生运动或自身形态变化物体所产生出的各种视觉效果；

y₃、利用各类型的重力模块来整体或局部模拟风速风向数值的变化，在重力属性模块中先分类设好重力参数值、所在世界位置变换参数值、重力方向旋转参数值、重力衰减参数值、重力范围参数值；将解析出的时实信号转送到重力属性模块的各预设值中，来模拟虚拟现实环境中风速参数值与风向的变化，从而反馈到因受风速风向变化而发生运动或自身形态变化物体所产生出的各种视觉效果。

5.根据权利要求1所述的VR中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法，其特征在于：步骤S21中在动态库的制作，对虚拟现实系统中环境变量提取考虑以下3个维度：

y₁、基于三维坐标方式预设环境变量，每个物体模型对应三维坐标都有一个范围，在此范围内预设温度、湿度、风速、风向的值分别为(t0、h₀、w₀，θ₀)，针对体验者可能到达的每一个区域分别预设不同的环境信号值；

y₂、对不同区域的环境信号的取值之间进行柔和过渡；

y₃、预设突发事件对环境信号值的影响，提前预设突发事件对体验者造成的环境值感受的变化。

6.根据权利要求1所述的VR中关于虚拟环境和真实环境相互模拟的方法，其特征在于：所述环境信号改变装置包括温度湿度调节装置、风速调节装置。