CN107463245A - 虚拟现实仿真实验系统 - Google Patents
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Abstract
本专利公开了一种虚拟现实仿真实验系统,包括计算机主机、专用VR眼镜、3D仿真实验室系统、显示设备,所述3D仿真实验室系统运行于计算机主机内,主机通过视频输出接口分别与显示设备及专用VR眼镜连接,专用VR眼镜包括通用VR眼镜、显示屏及其驱动电路、姿态模块、数码摄像头模块、辅助光源控制模块、USB扩展模块、力反馈振动电机控制模块、加密狗模块和高亮反光织物手套组成;通用VR眼镜包括外壳、透镜、佩戴固定装置;3D仿真实验室系统包括仿真计算模块、显示输出模块、手势识别模块、VR眼镜姿态识别模块、操作过程记录模块。
Description
技术领域
本发明涉及教育信息化技术领域,更具体的说,涉及虚拟现实仿真实验系统。
背景技术
利用计算机来辅助教学,包括辅助实验已有很多技术方案,目前市场上的类似系统,都是采用计算机鼠标、键盘作为操作的输入、显示器或投影机(包括3D)投影用于显示输出。但这些系统具有仿真度较差、沉浸感不强的缺陷,不能体现用手操作实验的感觉。
发明内容
本发明利用以上技术创新融合,结合小学科学、中学物理、化学、生物实验教学的需求,研发出具有高度沉浸感、交互性和安全性的虚拟现实中小学仿真实验系统。
本发明设计一种虚拟现实仿真实验系统,包括计算机主机、专用VR眼镜、3D仿真实验室系统、显示设备,所述3D仿真实验室系统运行于计算机主机内,主机通过视频输出接口分别与显示设备及专用VR眼镜连接,
所述专用VR眼镜包括通用VR眼镜、显示屏及其驱动电路、姿态模块、数码摄像头模块、辅助光源控制模块、USB扩展模块、力反馈振动电机控制模块、加密狗模块和高亮反光织物手套组成;
所述通用VR眼镜包括外壳、透镜、佩戴固定装置;
3D仿真实验室系统包括仿真计算模块、显示输出模块、手势识别模块、VR眼镜姿态识别模块、操作过程记录模块。
显示屏及其驱动电路采用HDMI视频接口,通过USB接口供电,把计算机主机传输过来的视频信号实时显示在显示屏上;
姿态模块集成了xyz三轴角度传感器、加速度传感器和地磁传感器,姿态模块为计算机主机提供实时的姿态数据;
数码摄像头模块采用60HZ以上的刷新率,实时抓取VR眼镜前方的图形,并通过USB接口发送给计算机主机,由计算机主机提取分析;
辅助光源模块在光线不足时为手势操作提供补充光线,提高数码摄像头图像采样的效果。
USB扩展模块从计算机主机的一个USB口中分出4个USB口提供给专用的VR眼镜上的各种模块;
力反馈振动电机模块,由计算机主机通过USB接口控制振动电机的启动、停止及振动强度,提高虚拟现实的沉浸感;
加密狗模块,为计算机中的对应软件进行硬件加密,被加密的软件必须检测到VR眼镜中的加密狗模块并获得硬件认证通过后才可以执行,加密狗模块提供用户数据区域,为用户可读写的数据进行加密,未经加密的软件,则不需要加密狗模块的授权即可运行;
高亮反光织物手套,在环境光线较亮的情况下使用,以提高手势的识别效果。
仿真计算模块根据当前计算机主机中的实验环境和各实验对象的状态,通过不同学科的仿真算法逐步计算下一个时间步的实验对象状态的变化;
显示输出模块根据实验环境和实验对象的状态结合用户视角参数对实验区进行实时渲染,在显示设备1上用程序中的摄像机L的视角渲染出一个实时场景;在专用的VR眼镜上用程序中的摄像机L和摄像机R模拟两个眼睛,实时渲染出场景L和场景R分别显示在VR眼镜上的左半边和右半边;
手势识别模块从专用的VR眼镜上的摄像头,识别出一只或两只手的位置和手型,通过与手型库中的手型进行比对,识别出用户当前的操作并作用在实验对象上;
VR眼镜姿态识别模块通过计算机串口,读取专用VR眼镜中姿态模块输出的xyz三轴的角度和加速度,计算VR眼镜的状态并根据状态调整程序中摄像机的位置和视角;
操作过程记录模块记录用户操作的全过程,对用户的错误操作进行反馈,并可回放用户操作的全过程,进而进行教学效果的评估。
附图说明
图1是本系统功能结构示意图
图2是本系统VR专用眼镜功能结构示意图
图3是本系统物理实验示意图
图4是VR专用眼镜电路结构示意图
附图标记
1-计算机主机
2-专用VR眼镜
3-3D仿真实验室系统
4-显示设备
22-显示屏及其驱动电路
23-姿态模块
24-数码摄像头模块
25-辅助光源控制模块
26-USB扩展模块
27-力反馈振动电机控制模块
28-加密狗模块
30–HDMI液晶驱动模块
31-仿真计算模块
32-显示输出模块
33-手势识别模块
34-VR眼镜姿态识别模块
35-操作过程记录模块
211-外壳
212-透镜
214–振动电机
215–驱动导线
216–VR眼镜主电路板
231-三轴角度传感器、加速度传感器和地磁传感器
具体实施方式
如图1,本发明由4大部分组成,分别是计算机主机、专用的VR眼镜、3D仿真实验室软件、显示器或投影机。本发明采用计算机作为程序的载体,专用的VR眼镜作为虚拟现实的显示终端和手势操作的输入终端,显示器或投影机作为教师实时查看学生实验操作的显示终端。
如图2,专用的VR眼镜:由通用VR眼镜(包括外壳、透镜、佩戴固定装置等)、显示屏及其驱动电路、姿态模块(含角度传感器、加速度传感器、地磁传感器)、数码摄像头模块、辅助光源模块、USB扩展模块、力反馈振动电机控制模块、加密狗模块和高亮反光织物手套组成。
专用VR眼镜每个模块的实施方式如下:
显示屏及其驱动电路采用HDMI视频接口,通过USB接口供电,负责把计算机传输过来的视频信号实时显示在5.5寸或6寸屏幕上。姿态模块集成了x\y\z三轴角度传感器、加速度传感器和地磁传感器,姿态模块通过串口通讯协议和串口转USB通讯模块,为上位机程序提供实时的姿态数据。
数码摄像头模块采用60HZ以上的刷新率,实时抓取VR眼镜前方的图形,并通过USB接口发送给上位机程序,由上位机程序提取分析。
辅助光源模块在光线不足时为手势操作提供补充光线,提高数码摄像头图像采样的效果。
USB扩展模块,从计算机的一个USB口中分出4个USB口提供给专用的VR眼镜上的各种模块。
力反馈振动电机模块,由计算机程序通过USB接口控制振动电机的启动、停止及振动强度,该模块可提高虚拟现实的沉浸感。
加密狗模块,为计算机中的对应软件进行硬件加密。被加密的软件必须检测到VR眼镜中的加密狗模块并获得硬件认证通过后才可以执行。加密狗模块提供用户数据区域,为用户可读写的数据进行加密。未经加密的软件,则不需要加密狗模块的授权即可运行。
高亮反光织物手套,在环境光线较亮的情况下使用,以提高手势的识别效果。在一般光线情况下,可直接不带手套进行操作。
上述HDMI液晶屏驱动电路、USB扩展模块电路、姿态模块电路、数码摄像头模块电路、辅助光源控制模块电路、力反馈振动电机控制模块、加密狗模块都位于VR眼镜主电路板上,如图4。
3D仿真实验室软件:由仿真计算模块、显示输出模块、手势识别模块、VR眼镜姿态识别模块、操作过程记录模块组成。实验内容包括小学科学、中学物理、化学、生物。
仿真计算模块:根据当前计算机中的实验环境和各实验对象的状态,通过不同学科的仿真算法逐步计算下一个时间步的实验对象状态的变化。例如根据小球的初位移、初速度、和小球的受力计算小球在1秒后的位移、速度、加速度等状态。
显示输出模块:根据实验环境和实验对象的状态结合用户视角参数对实验区进行实时渲染。在输出设备1上(接显示器或投影机),用程序中的摄像机L的视角渲染出一个实时场景;在输出设备2上(接专用的VR眼镜),用程序中的摄像机L和摄像机R模拟两个眼睛,实时渲染出场景L和场景R分别显示在输出设备2的左半边和右半边。
手势识别模块:从专用的VR眼镜上的摄像头,识别出一只或两只手的位置和手型,通过与手型库中的手型进行比对,识别出用户当前的操作并作用在实验对象上。
VR眼镜姿态识别模块:通过计算机串口,读取专用VR眼镜中姿态模块输出的x\y\z三轴的角度和加速度,计算VR眼镜的状态并根据状态调整程序中摄像机的位置和视角。
操作过程记录模块:记录用户操作的全过程,对用户的错误操作进行反馈,并可回放用户操作的全过程,进而进行教学效果的评估。
以下再以物理实验“单摆”为例,结合图3该系统的运作实施方式如下:
该系统通过3D仿真实验室软件在显示器(Display1)上显示用摄像机L渲染出的“单摆”实验场景;通过计算机主机显卡上的HDMI接口,在专用的VR眼镜(Display2)上并排显示用摄像机L和摄像机R渲染出的“单摆”实验场景。
用户带上专用的VR眼镜,上下左右转头时,专用的VR眼镜上的姿态传感器把VR眼镜的角度变化通过USB接口实时的发送到计算机主机中,主机软件根据姿态角度的变化,实时调整3D仿真实验室软件中摄像机的角度,并重新实时渲染“单摆”的实验场景。
用户把手放在专业的VR眼镜前(眼前0.1米~0.5米),专业的VR眼镜上的摄像头模块对眼前的图像进行实时采集,并通过USB口传输给计算机,3D仿真实验室软件对传输进来的图像进行分析处理,识别出图像中的手型和手的位置。当手用食指摆出表示数字“1”的样式时,表示鼠标键为松开状态;当手摆出食指与大拇指指尖接触的样式时,表示鼠标左键为按下状态;手的移动表示为鼠标的移动。3D仿真实验室软件根据采集手型的识别结果,在实验场景中虚拟出仿真的手型和仿真操作。把食指和大拇指接触抓起“小球”,并移动一段距离,然后再把食指和大拇指分开,释放“小球”,“小球”即做单摆运动。
Claims (4)
1.一种虚拟现实仿真实验系统,包括计算机主机(1)、专用VR眼镜(2)、3D仿真实验室系统(3)、显示设备(4),所述3D仿真实验室系统(3)运行于计算机主机(1)内,主机(1)通过视频输出接口分别与显示设备(4)及专用VR眼镜(2)连接,
其特征在于:
所述专用VR眼镜(2)包括通用VR眼镜(21)、显示屏及其驱动电路(22)、姿态模块(23)、数码摄像头模块(24)、辅助光源控制模块(25)、USB扩展模块(26)、力反馈振动电机控制模块(27)、加密狗模块(28)和高亮反光织物手套(29)组成;
所述通用VR眼镜(21)包括外壳(211)、透镜(212)、佩戴固定装置(213);
3D仿真实验室系统(3)包括仿真计算模块(31)、显示输出模块(32)、手势识别模块(33)、VR眼镜姿态识别模块(34)、操作过程记录模块(35)。
2.一种如权利要求1所述的虚拟现实仿真实验系统,其特征在于:
显示屏及其驱动电路(22)采用HDMI视频接口,通过USB接口供电,把计算机主机传输过来的视频信号实时显示在显示屏上;
姿态模块(23)集成了xyz三轴角度传感器、加速度传感器和地磁传感器,姿态模块(23)为计算机主机(1)提供实时的姿态数据;
数码摄像头模块(24)采用60HZ以上的刷新率,实时抓取VR眼镜前方的图形,并通过USB接口发送给计算机主机(1),由计算机主机(1)提取分析;
辅助光源模块(25)在光线不足时为手势操作提供补充光线,提高数码摄像头图像采样的效果。
3.一种如权利要求1所述的虚拟现实仿真实验系统,其特征在于:
USB扩展模块(26)从计算机主机(1)的一个USB口中分出4个USB口提供给专用的VR眼镜上的各种模块;
力反馈振动电机模块(27),由计算机主机(1)通过USB接口控制振动电机的启动、停止及振动强度,提高虚拟现实的沉浸感;
加密狗模块(28),为计算机中的对应软件进行硬件加密,被加密的软件必须检测到VR眼镜中的加密狗模块并获得硬件认证通过后才可以执行,加密狗模块提供用户数据区域,为用户可读写的数据进行加密,未经加密的软件,则不需要加密狗模块的授权即可运行;
高亮反光织物手套,在环境光线较亮的情况下使用,以提高手势的识别效果。
4.一种如权利要求1-3中任一所述的虚拟现实仿真实验系统,其特征在于:
仿真计算模块(31)根据当前计算机主机中的实验环境和各实验对象的状态,通过不同学科的仿真算法逐步计算下一个时间步的实验对象状态的变化;
显示输出模块(32)根据实验环境和实验对象的状态结合用户视角参数对实验区进行实时渲染,在显示设备1上用程序中的摄像机L的视角渲染出一个实时场景;在专用的VR眼镜上用程序中的摄像机L和摄像机R模拟两个眼睛,实时渲染出场景L和场景R分别显示在VR眼镜上的左半边和右半边;
手势识别模块(33)从专用的VR眼镜上的摄像头,识别出一只或两只手的位置和手型,通过与手型库中的手型进行比对,识别出用户当前的操作并作用在实验对象上;
VR眼镜姿态识别模块(34)通过计算机串口,读取专用VR眼镜中姿态模块输出的xyz三轴的角度和加速度,计算VR眼镜的状态并根据状态调整程序中摄像机的位置和视角;
操作过程记录模块(35)记录用户操作的全过程,对用户的错误操作进行反馈,并可回放用户操作的全过程,进而进行教学效果的评估。
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