CN109710077A - 基于vr的虚拟物体碰撞判断方法、装置及机车实训系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于VR的虚拟物体碰撞判断方法、装置及机车实训系统，本发明通过判断获取主动虚拟物体和某个被动虚拟物体的投影区域是否发生重叠，若发生重叠，则直接获取主动虚体物体和被动虚体物体的深度值，若判断主动虚拟物体和被动虚体物体的深度值的差值的绝对值在设定阈值范围内，则判断为两者发生碰撞，本发明的方法处理过程简单，只需要获取被动虚拟物体和主动虚体物体的深度值，运算量小，计算时间短，降低了处理器的计算负担，提高了显卡的使用效率，VR虚拟场景更新及时，提高了非正常行车演练的逼真度，能够完成各种行车演练操作，为乘务员模拟演练提供了高效的学习方法和素材。

Description

基于VR的虚拟物体碰撞判断方法、装置及机车实训系统

技术领域

本发明属于虚拟现实交互技术领域，特别涉及基于VR的虚拟物体碰撞判断方法、装置及机车实训系统。

背景技术

随着科技的快速发展，轨道行业发生了质的飞跃，对轨道相关功能的要求越来越多，乘务员需要掌握各种各样的技术来满足需要。尤其是应急故障、非正常情况的处理。传统的方法都是通过一个实训台来完成，但是该方法不仅耗费大量的财力、物力，而且会占用较大的空间，同时在进行模拟演练时，对VR虚拟场景中的每个物体进行渲染时，都用一个包围盒进行存储和计算，如公开号为“CN108227928A”，名称为“一种虚拟现实场景中的拾取方法和装置”的中国发明专利申请，该专利申请的公开的方案为：当物体发生移动时，通过计算物体的包围盒的顶点坐标，判断两个物体包围盒的空间是否相交，从而判定两个物体是否发生碰撞。通过包围盒相交判断物体是否发生碰撞时，首先需要计算每个物体包围盒8个顶点的坐标，还要计算两个包围盒相交部分的体积，增加了运行处理时间，使得虚拟场景的更新存在一定的延时；同时坐标计算时容易产生误差导致计算结果不准确，从而使场景更新存在延迟。

发明内容

本发明的目的在于提供基于VR的虚拟物体碰撞判断方法、装置及机车实训系统，用于解决现有技术中包围盒碰撞判断模式的计算过程复杂导致虚拟图像更新存在延迟的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于VR的虚拟物体碰撞判断方法，包括以下步骤：

获取主动虚拟物体的投影区域、所有被动虚拟物体的投影区域；

判断主动虚拟物体是否与某个被动虚拟物体的投影区域发生重叠；

如果发生重叠，获取该被动虚拟物体的深度值，以及主动虚拟物体的深度值，判断该被动虚拟物体的深度值与主动虚拟物体的深度值的差值的绝对值是否在设定的阈值范围，若在设定的阈值范围内，则判定两者发生碰撞；

所述被动虚拟物体为虚拟场景中的模拟物体，主动虚拟物体为虚拟场景中模拟出的、基于手部感应器的模拟物体。

本发明通过判断获取主动虚拟物体和某个被动虚拟物体的投影区域是否发横重叠，若发生重叠，则直接获取主动虚体物体和被动虚体物体的深度值，若判断该被动虚拟物体的深度值与主动虚拟物体的深度值的差值的绝对值在设定的阈值范围内，则判断为两者发生碰撞，本发明的方法处理过程简单，只需要获取被动虚拟物体和主动虚体物体的深度值，运算量小，计算时间短，VR虚拟场景更新及时，提高了非正常行车演练的逼真度，能够完成各种行车演练操作，为乘务员模拟演练提供了高效的学习方法和素材。

为了根据物体的大小选择不同的方法实现物体的碰撞检测，并增加虚拟物体碰撞判断方法的功能多样性，在判断主动虚拟物体与某个被动虚拟物体的投影区域发生重叠时，还判断该被动虚拟物体的碰撞模式；若为包围盒模式，则采用包围盒判断方法进行判定被动虚拟物体和主动虚拟物体是否发生碰撞。

进一步地，利用所述包围盒模式判断被动虚拟物体和主动虚拟物体是否发生碰撞的过程为：计算每个包围盒8个顶点的坐标，接着计算两个包围盒相交部分的体积，根据体积的大小判断被动虚拟物体与主动虚拟物体是否发生碰撞。采用包围盒模式也能判断被动虚拟物体与主动虚拟物体是否发生碰撞，使虚拟物体碰撞判断方法的可选择性更多。

为了方便获取主动虚拟物体和被动虚拟物体的深度值，可直接从存储器中获取主动虚拟物体的投影区域和深度值、所有被动虚拟物体的投影区域和深度值。

本发明还提供了一种基于VR的虚拟物体碰撞判断装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有处理器执行指令时的程序，处理器用于执行指令实现上述基于VR的虚拟物体碰撞判断方法。

本发明通过判断获取主动虚拟物体和某个被动虚拟物体的投影区域是否发横重叠，若发生重叠，则直接获取主动虚体物体和被动虚体物体的深度值，若判断该被动虚拟物体的深度值与主动虚拟物体的深度值的差值的绝对值在设定的阈值范围内，则判断为两者发生碰撞，本发明的方法处理过程简单，只需要获取被动虚拟物体和主动虚体物体的深度值，运算量小，计算时间短，降低了处理器的计算负担，提高了显卡的使用效率，VR虚拟场景更新及时，提高了非正常行车演练的逼真度，能够完成各种行车演练操作，为乘务员模拟演练提供了高效的学习方法和素材。

本发明还提供了一种基于VR的机车实训系统，包括计算机、定位信号发射装置、头盔和手部感应器；所述定位信号发射装置用于确定机车实训系统的训练区域，并将自身的位置信息发送给计算机；所述头盔用于将头部姿态位置信息发送给计算机，并接收计算机的虚拟场景显示数据以显示虚拟场景；

所述手部感应器用于将自身的姿态位置信息发送给计算机；

所述计算机用于接收定位信号发射装置的位置信息、头盔和手部感应器的姿态位置信息，生成虚拟场景显示数据并发送给头盔；

所述计算机包括处理器和存储器，所述存储器存储有所述处理器实现如下方法的指令：

获取存储器中主动虚拟物体的投影区域、所有被动虚拟物体的投影区域；

判断主动虚拟物体是否与某个被动虚拟物体的投影区域发生重叠；

如果发生重叠，获取该被动虚拟物体的深度值，以及主动虚拟物体的深度值，判断该被动虚拟物体的深度值与主动虚拟物体的深度值的差值的绝对值是否在设定的阈值范围，若在设定的阈值范围内，则判定两者发生碰撞；

所述被动虚拟物体为虚拟场景中的模拟物体，主动虚拟物体为虚拟场景中模拟出的、基于手部感应器的模拟物体。

本发明通过判断获取主动虚拟物体和某个被动虚拟物体的投影区域是否发横重叠，若发生重叠，则直接获取主动虚体物体和被动虚体物体的深度值，若判断该被动虚拟物体的深度值与主动虚拟物体的深度值的差值的绝对值在设定的阈值范围内，则判断为两者发生碰撞，本发明的方法处理过程简单，只需要获取被动虚拟物体和主动虚体物体的深度值，运算量小，计算时间短，降低了处理器的计算负担，提高了显卡的使用效率，VR虚拟场景更新及时，提高了非正常行车演练的逼真度，能够完成各种行车演练操作，为乘务员模拟演练提供了高效的学习方法和素材。

为了根据物体的大小选择不同的方法实现物体的碰撞检测，并增加虚拟物体碰撞判断方法的功能多样性，在判断主动虚拟物体与某个被动虚拟物体的投影区域发生重叠时，还判断该被动虚拟物体的碰撞模式；若为包围盒模式，则采用包围盒判断方法进行判定被动虚拟物体和主动虚拟物体是否发生碰撞。

进一步地，利用所述包围盒模式判断被动虚拟物体和主动虚拟物体是否发生碰撞的过程为：计算每个包围盒8个顶点的坐标，接着计算两个包围盒相交部分的体积，根据体积的大小判断被动虚拟物体与主动虚拟物体是否发生碰撞。采用包围盒模式也能判断被动虚拟物体与主动虚拟物体是否发生碰撞，使虚拟物体碰撞判断方法的可选择性更多。

为了方便获取主动虚拟物体和被动虚拟物体的深度值，可直接从存储器中获取主动虚拟物体的投影区域和深度值、所有被动虚拟物体的投影区域和深度值。

附图说明

图1为本发明的基于VR的虚拟物体碰撞判断方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

机车实训系统实施例：

本发明的基于VR的机车实训系统，包括计算机、定位信号发射装置、头盔和手部感应器，计算机包括处理器和存储器；定位信号发射装置用于构建机车实训系统的训练区域并将自身的位置信号发送给计算机；头盔用于将头部姿态位置信息发送给计算机，并接收计算机的虚拟场景显示数据以显示虚拟场景；手部感应器用于将自身的姿态位置信息发送给计算机；计算机用于接收定位信号发射装置的位置信息、头盔和手部感应器的姿态位置信息，生成虚拟场景显示数据并发送给头盔。

在该机车实训系统建立的虚拟场景中包括主动虚体物体和被动虚体物体，被动虚拟物体为虚拟场景中的模拟物体，主动虚拟物体为虚拟场景中模拟出的、基于手部感应器的模拟物体。本实施例中，主动虚拟物体为虚拟手，被动虚拟物体为模拟操作台以及操作台上的按钮、按键、操作手柄等。定位信号发射装置包括两个激光发射器，两个激光发射器构建乘务员的活动空间，乘务员穿戴头盔和手部感应器后只能在活动空间内移动，超出活动空间后，则无法获取头盔和手部感应器的位置信号。

本实施例中头盔上设置有激光传感器，可以实时地向激光发射器发送信息，激光发射器接收到头盔上的激光传感器发送的信息后，将该信息反馈给头盔，头盔中的处理单元经过转换计算得到头盔的位置信息，将得到的位置信息发送给计算机，计算机根据头盔发送过来的位置信息改变虚拟场景中的视角；本实施例中手部感应器为设置有激光传感器的操作手柄，操作手柄上的这些激光传感器可以实时地向激光发射器发送信息，激光发射器接收到操作手柄上的激光传感器发射的信息后，将该信息反馈给操作手柄，操作手柄中的处理单元经过转换得到操作手柄的位置信息，将该位置信息发送给计算机，计算机根据接收到的位置信息计算得到乘务员手部的实际位置，从而改变虚拟场景中的虚拟手的位置。对于操作手柄，作为其他实施方式，还可以是设置有激光传感器的手套。

在本实施例中，定位信号发射装置、操作手柄的信息均通过无线通讯方式发送给头盔，由头盔再发送给计算机；作为其他实施方式，定位信号发射装置、操作手柄可以直接将各自的信息发送给计算机，通讯方式可以采用无线通讯或者采用有线通讯。

本实施例的头盔为Vive头戴式显示器，该机车实训系统可对多种非正常行车情况进行模拟演练，如及车间突然出现火灾、机车前方出现雾霾等情况，降低非正常演练过程中事件触发的响应时间，提高响应速度，增加安全性，使仿真效果和真车设备效果接近一致，同时降低处理器的计算负担，提高显卡的使用效率。本实施例的处理器可以为CPU、FPGA或单片机程序等。

方法实施例1：

上述的基于VR的机车实训系统中的处理器用于运行存储在存储器中的程序实现虚拟物体是否发生碰撞的判断方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

1)初始化设备，架设激光发射器，激光发射器主要对乘务员的操作活动范围进行制定。

2)在Unity3D摆放并调整好场景中各个物体的位置和旋转信息，Unity3D将场景中各个物体的坐标同步到SteamVR软件中去。

3)乘务员位置发生移动，并对场景进行更新。

计算机实时计算乘务员手部位置的变化，并将位置信息同步到Unity3D中。当乘务员手部的位置发生移动时，通过计算相对初始位置的偏移量，可以得到乘务员手部的相对坐标，并反馈给Unity3D。本实施例主要获取的是乘务员手部的位置信息，如果有需要，可以以躯体等位置信息计算乘务员是否发生移动。

乘务员移动场景伴随着移动，乘务员手部的位置信息发送给计算机，Vive头戴式显示器用于将头部姿态位置信息发送给计算机，Unity3D根据乘务员手部的位置信息渲染出当前乘务员在所在位置看到的画面，并将画面同步到SteamVR，SteamVR再同步到Vive头戴式显示器上，Vive头戴式显示器将物体显示到屏幕上，以便乘务员实时观看虚拟的模拟驾驶室场景。

4)判断被动虚拟物体与主动虚拟物体是否发生碰撞，首先获取存储器中主动虚拟物体的投影区域、所有被动虚拟物体的投影区域以及主动虚拟物体的深度值和被动虚拟物体的深度值，在获取投影区域和深度值时不分先后，可以一前一后获取，也可以同时获取。

接着判断主动虚拟物体是否与某个被动虚拟物体的投影区域发生重叠；如果发生重叠，获取该被动虚拟物体的深度值，以及主动虚拟物体的深度值，判断该被动虚拟物体的深度值是否与主动虚拟物体的深度值的差值是否在设定的阈值范围内，若在设定的阈值范围内，则判定两者发生碰撞。

5)当主动虚拟物体与被动虚拟物体之间有碰撞发生时，绑定了触发器的被动虚拟物体将会发送一个触发器事件到有限状态机。有限状态机接收到触发器事件时，则改变当前的流程，将流程向前推进，并且可以根据不同的触发条件进入不同的处理流程，同时通知Vive头戴式显示器进行场景更新。

方法实施例2：

上述的步骤2)在Unity3D摆放并调整好场景中各个物体的位置和旋转信息，对被动虚拟物体的碰撞检测模式进行了标注，不同碰撞检测模式的标注方便后续更快地计算出是否发生碰撞，可以提高非正常事件处理的相应速度，比如触摸制动手柄，可以减少机车制动的响应时间，提高仿真效果，提高安全性。其中，主动虚拟物体不标注碰撞检测模式，主动虚拟物体的碰撞检测模式由被动虚拟物体的碰撞检测模式确定，如果被动虚拟物体的碰撞检测模式为现有技术中的包围盒模式，则对主动虚拟物体和被动虚拟物体采用包围盒模式判断是否发生碰撞；如果被动虚拟物体的碰撞检测模式是步骤4)中给出的投影区域模式，则对主动虚拟物体和被动虚拟物体采用投影区域模式判断是否发生碰撞。

具体的是根据物体的大小和复杂度标记出被动虚拟物体发生碰撞时使用的碰撞检测模式，例如，小于虚拟手一半时设置为包围盒模式，大于虚拟手一半时设置为投影区域模式；之所以包围盒模式适用于较小的物体是因为投影区域的轮廓与物体实际的轮廓不是一致的，那么如果两个虚拟物体一个较大一个较小，即使两者满足投影区域模式的判断条件，实际中也可能没有碰撞。因此先判断主动虚拟物体是否与某个被动虚拟物体的投影区域发生重叠，如果重叠则判断该被动虚拟物体的碰撞判断模式是现有的包围盒模式还是本发明的投影区域模式。

若判断为包围盒模式，则采用包围盒判断方法判定被动虚拟物体和主动虚拟物体是否发生碰撞。其中，采用包围盒模式判断被动虚拟物体和主动虚拟物体是否发生碰撞的过程为：计算每个包围盒8个顶点的坐标，接着计算两个包围盒相交部分的体积，根据体积的大小判断被动虚拟物体与主动虚拟物体是否发生碰撞。

若判断为投影区域模式则，采用方法实施例1中的步骤4)判断主动虚拟物体和被动虚拟物体是否发生碰撞。包围盒模式对于小物体碰撞检测的速度和效果比较好，比如手接触按钮等，但是包围盒模式计算量大，相比于包围盒模式，投影区域模式直接从计算机的存储器中读取投影区域和深度值，节省了计算每个虚拟物体包围盒的时间，又由于投影区域的深度值是自动生成的数据，就算是用包围盒模式，投影区域和深度值也是始终存在的，这样把投影区域和深度值直接拿来使用即可，而不再采用包围盒模式进行计算及检测，减少了计算量，加快了处理速度，同时也提高了检测准确性。

装置实施例：

本发明还提供了一种基于VR的虚拟物体碰撞判断装置，包括处理器和存储器，存储器中存储有处理器执行指令时的程序，处理器用于执行指令实现上述的基于VR的虚拟物体碰撞判断方法。由于基于VR的虚拟物体碰撞判断方法的具体实施手段已经在上述实施例中进行了详细的说明，因此，不再对基于VR的虚拟物体碰撞判断装置的具体实施手段进行阐述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于VR的虚拟物体碰撞判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取主动虚拟物体的投影区域、所有被动虚拟物体的投影区域；

判断主动虚拟物体是否与某个被动虚拟物体的投影区域发生重叠；

如果发生重叠，获取该被动虚拟物体的深度值，以及主动虚拟物体的深度值，判断该被动虚拟物体的深度值与主动虚拟物体的深度值的差值的绝对值是否在设定的阈值范围，若在设定的阈值范围内，则判定两者发生碰撞；

所述被动虚拟物体为虚拟场景中的模拟物体，主动虚拟物体为虚拟场景中模拟出的、基于手部感应器的模拟物体。

2.根据权利要求1所述的基于VR的虚拟物体碰撞判断方法，其特征在于，判断主动虚拟物体与某个被动虚拟物体的投影区域发生重叠时，还判断该被动虚拟物体的碰撞模式；若为包围盒模式，则采用包围盒判断方法判定被动虚拟物体和主动虚拟物体是否发生碰撞。

3.根据权利要求2所述的基于VR的虚拟物体碰撞判断方法，其特征在于，利用所述包围盒模式判断被动虚拟物体和主动虚拟物体是否发生碰撞的过程为：计算每个包围盒8个顶点的坐标，接着计算两个包围盒相交部分的体积，根据体积的大小判断被动虚拟物体与主动虚拟物体是否发生碰撞。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于VR的虚拟物体碰撞判断方法，其特征在于，从存储器中获取主动虚拟物体的投影区域和深度值、所有被动虚拟物体的投影区域和深度值。

5.一种基于VR的虚拟物体碰撞判断装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有处理器执行指令时的程序，其特征在于，处理器用于执行指令实现如权利要求1-4任一项所述的基于VR的虚拟物体碰撞判断方法。

6.一种基于VR的机车实训系统，包括计算机、定位信号发射装置、头盔和手部感应器；所述定位信号发射装置用于确定机车实训系统的训练区域，并将自身的位置信息发送给计算机；所述头盔用于将头部姿态位置信息发送给计算机，并接收计算机的虚拟场景显示数据以显示虚拟场景；

所述手部感应器用于将自身的姿态位置信息发送给计算机；

所述计算机用于接收定位信号发射装置的位置信息、头盔和手部感应器的姿态位置信息，生成虚拟场景显示数据并发送给头盔；

所述计算机包括处理器和存储器，其特征在于，所述存储器存储有所述处理器实现如下方法的指令：

获取存储器中主动虚拟物体的投影区域、所有被动虚拟物体的投影区域；

判断主动虚拟物体是否与某个被动虚拟物体的投影区域发生重叠；

如果发生重叠，获取该被动虚拟物体的深度值，以及主动虚拟物体的深度值，判断该被动虚拟物体的深度值与主动虚拟物体的深度值的差值的绝对值是否在设定的阈值范围，若在设定的阈值范围内，则判定两者发生碰撞；

所述被动虚拟物体为虚拟场景中的模拟物体，主动虚拟物体为虚拟场景中模拟出的、基于手部感应器的虚拟物体。

7.根据权利要求6所述的基于VR的机车实训系统，其特征在于，判断主动虚拟物体与某个被动虚拟物体的投影区域发生重叠时，还判断该被动虚拟物体的碰撞模式；若为包围盒模式，则采用包围盒判断方法进行判定被动虚拟物体和主动虚拟物体是否发生碰撞。

8.根据权利要求7所述的基于VR的机车实训系统，其特征在于，利用所述包围盒模式判断被动虚拟物体和主动虚拟物体是否发生碰撞的过程为：计算每个包围盒8个顶点的坐标，接着计算两个包围盒相交部分的体积，根据体积的大小判断被动虚拟物体与主动虚拟物体是否发生碰撞。

9.根据权利要求6-8任一项所述的基于VR的机车实训系统，其特征在于，从存储器中获取主动虚拟物体的投影区域和深度值、所有被动虚拟物体的投影区域和深度值。