CN110379240A - 一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，通过虚拟现实平台将水电站三维模型与CAVE显示系统进行整合，通过虚拟现实平台编写交互逻辑功能程序，赋予静态的水电站三维模型交互的能力；该培训系统的仿真体系架构包括：数据层，用于构建厂区厂房及周边环境的三维模型、厂房内部设备机组的精确三维模型以及用于提供具体的培训业务内容；平台层，用于为培训对象提供虚拟仿真环境；应用层，所述应用层利用虚拟现实平台将数据层的模型数据、培训业务数据与平台层的仿真系统进行整合，实现场景漫游功能、设备认知功能、透视展示功能、剖切展示功能、设备拆解功能、设备安装功能、信息呈现功能以及虚实交互功能。

Description

一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统

技术领域

本发明属于水电站检修仿真培训技术领域，具体是一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统。

背景技术

虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)又称灵境技术，近年来VR技术在研究领域十分活跃，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术高层次的集成和渗透。因此，虚拟现实是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。

近年来，得益于前沿技术虚拟现实的发展，借助虚拟现实技术，受训者在水电站检修培训中有了更好的实践体验。虚拟培训相较于传统的课堂式集中上课更能及时反馈出问题，相比于教科书、PPT资料中难懂的文字描述和需要考验学生想象力的平面图，虚拟真实的场景更能直观的表达和传递更多的信息内容。

水电站培训的过程更强调实操培训和注重实践能力。但传统的实训教学不可避免地遇到场地环境和人员安全等问题，培训实行起来有一定的难度。为了提高学员在工作中遇到的各种情况的应变能力以及承受能力，同时在保证人员安全的情况下，借助虚拟现实技术设计开发相关的培训系统，让学员在虚拟的环境下进行培训，体验创新的培训形式。

目前基于三维可视化引擎研发的培训系统基本上属于以下几种形式：1、使用三维引擎，在图形工作站PC端研发相关系统，交互设备采用鼠标键盘等方式进行；2、使用三维引擎，借助虚拟现实头盔当作交互外设，用户可通过虚拟现实的头显置身虚拟场景当中，左右手分别持虚拟现实手柄来对场景进行交互。

但这两种方式在检修培训中都会有不同的优缺点，第一种方式的培训系统可以实现检修培训课件的交互设计及拆装流程，但用户的操作局限在鼠标、键盘上，对虚拟场景中的模型零件拆装认知比较单一，鼠标键盘的操作方式不能给受训者带来深刻的培训体验，没有代入感；第二种方式的培训系统相对于第一种则大大增强了用户的操作体验，在全沉浸式的视野中利用虚拟手柄对设备机组模型进行交互，但是这种方式只适用于单人培训，并且视野非常有限，培训系统展示的内容在一定程度上还取决于虚拟现实头盔设备的硬件质量，并且头盔版的虚拟现实培训系统并没有人物的概念，场景漫游只能选择“场景瞬移切换”或者“人物视角瞬移”的方式进行，长期使用会给人造成一种眩晕的感觉，俗称“晕动症”，由于大脑在快速执行场景视角切换时，而身体是没有跟随运动的，这种视觉技术引起的晕动症，是因为身体本体感觉(身体本体与外界环境的相对位置)和视觉系统不匹配，因此大脑给人一种眩晕想吐的感觉。

公开号为CN108154772A的中国专利公开了一种牵引变电所值班人员虚拟沉浸式培训仿真系统和方法，利用三维建模及动画软件构建牵引变电所的虚拟三维场景和相关动画，能够有效增强培训对象的视觉和听觉感受，强化其对学习内容的理解；利用三维引擎和数据库构建自由演练、情景教学、模拟考核三种培训模式和具体任务培训内容，培训内容针对性强且可以灵活修改；利用虚拟现实沉浸式头盔和体感交互设备进一步增强场景直观感受。该方法通过三维可视化仿真，能够逼真直观的构建整个牵引变电所的三维场景，在三维场景基础上通过业务培训内容模拟变电所巡视、倒闸、检修等日常操作，培训过程中操作安全、沉浸度高、直观性强、培训周期短，具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，通过虚拟现实平台将水电站三维模型与CAVE显示系统进行整合，既能保证检修课件的交互逻辑操作的准确性，又能增强用户的检修代入感，提高培训操作体验，且能同时容纳多人进行培训。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，通过虚拟现实平台将水电站三维模型与CAVE显示系统进行整合，通过虚拟现实平台编写交互逻辑功能程序，赋予静态的水电站三维模型交互的能力；该培训系统的仿真体系架构包括：

数据层，所述数据层包括：厂区厂房三维模型数据、设备机组三维模型数据和培训业务数据；所述厂区厂房三维模型数据用于构建厂区厂房及周边环境的三维模型；所述设备机组三维模型数据用于构建厂房内部设备机组的精确三维模型；所述培训业务数据用于提供具体的培训业务内容；所述数据层用于提供虚拟仿真所需的各种模型数据。

平台层，所述平台层为五面LED-CAVE沉浸式虚拟仿真系统，所述仿真系统包括五面LED显示屏、光学跟踪定位系统以及信号同步显示系统；所述五面LED显示屏包括正幕、左幕、右幕、顶幕和地幕，该五面LED显示屏合围构成一个半封闭式的盒子，用于为培训对象提供虚拟仿真环境；所述光学跟踪定位系统用于获取培训对象的位置信息，并获取培训对象的动作数据；所述信号同步显示系统用于将虚拟场景同步渲染至五面LED显示屏上；所述平台层位于应用层和数据层之间，用于提供沉浸式虚拟仿真环境。

应用层，所述应用层利用虚拟现实平台将数据层的模型数据、培训业务数据与平台层的仿真系统进行整合，实现场景漫游功能、设备认知功能、透视展示功能、剖切展示功能、设备拆解功能、设备安装功能、信息呈现功能以及虚实交互功能；所述应用层实现每个功能的内在逻辑。

具体地，所述光学跟踪定位系统包括光学跟踪计算机和光学跟踪相机；所述光学跟踪相机包括4个主摄像头、2个辅助摄像头；所述主摄像头/辅助摄像头内部配置有低噪音CCD芯片以及对拍摄数据进行优化的FPGA芯片；所述光学跟踪相机还包括用于二维计算的内部PC机；用于计算操作者在空间中的二维位置信息。

进一步地，所述4个主摄像头分别设置在五面LED显示屏幕左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方4个位置；所述2个辅助摄像头分别设置在顶幕的后方两侧；所述主摄像头、辅助摄像头均为红外发射摄像头。

具体地，所述左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方分别设有4个用于安装所述主摄像头的安装孔；所述安装孔为斜锥形安装孔；所述安装孔为斜锥形安装孔，通过设置所述斜锥形安装孔，便于调节摄像头的拍摄角度。所述2个辅助摄像头通过云台安装在所述顶幕后方，所述云台通过焊接方式安装在所述顶幕上，所述云台为方向可调节的云台。

进一步地，所述光学跟踪定位系统获取3D眼镜的空间位姿信息的方法为：通过光学跟踪相机获取3D眼镜在五面LED显示屏幕内部空间中的位置信息，通过光学跟踪计算机对所述3D眼镜的位置信息进行处理，并结合光学跟踪相机的姿态信息得到3D眼镜在五面LED显示屏幕内部空间中的位姿信息；所述3D眼镜上设有两个定位反光球，用于所述光学跟踪相机捕捉3D眼镜的位置信息。

具体地，所述信号同步显示系统包括多台图形工作站、无线信号发射器和无线信号接收器；所述多台图形工作站均配置有显卡和同步卡；所述无线信号接收器安装在3D眼镜内部，用于接收无线信号发射器发出的控制指令；所述多台图形工作站通过同步卡实现同步控制。所述3D眼镜内部设有无线信号接收器和控制器；所述3D眼镜的两个镜片内部均设有液晶层；所述无线信号接收器用于接收所述无线信号发射器发送的控制信号，所述控制器用于根据所述控制信号控制3D眼镜的两个镜片切换显示。3D信号同步显示系统根据3D眼镜的空间位姿信息生成左右眼两组画面图像，并将该两组画面在所述五面LED显示屏幕上交替显示；3D信号同步显示系统通过无线的通信方式向3D眼镜发送控制指令，控制3D眼镜的左右两个镜片切换显示，该两个镜片的切换频率与所述两组画面的交替频率保持同步。而实现五面LED-CAVE显示屏的无缝拼接同步显示，提高了用户的沉浸式虚拟现实体验感。

进一步地，配置所述信号同步显示系统的方法为：根据五面LED显示屏幕的尺寸，计算每个屏幕的分辨率；再根据每个屏幕的尺寸、分辨率配置图形工作站的台数及显卡参数；将多台图形工作站的同步卡通过网线串联实现同步控制，并任意选一台图形工作站作为主控机分别与光学跟踪计算机、无线信号发射器相连。

本发明还提供了一种基于虚拟现实技术的水电站仿真培训系统的构建方法，具体包括以下步骤：

S1，构建水电站环境和设备的三维模型；

S2，对三维模型的操作流程进行设计；

S3，对三维模型的碰撞体进行设计；

S4，对三维模型的拆装过程进行设计；

S5，对三维模型的交互进行设计，实现培训对象与虚拟环境之间的互动。

具体地，步骤S1中，构建水电站环境和设备的三维模型的方法包括以下步骤：

S11，采用三维激光扫描仪和图纸获取厂区厂房、建构筑物、设备的三维数据，采用无人机航拍测量技术获取水电站地形地貌的特征数据；

S12，根据获取的三维数据和水电站地形地貌的特征数据，建立厂区厂房结构、建构筑物、设备的三维模型以及水电站的外观模型；

S13，将建立好的模型合并为三维场景，并对合并后的三维场景进行编辑和设置；

S14，对三维场景和模型进行优化。

具体地，步骤S2中，对三维模型的操作流程进行设计的方法为：将具备同等拆卸/安装属性的零件模型进行打组，减少零件模型节点数，简化设备模型的拆卸/安装逻辑；所述同等拆卸/安装属性定义为：设备模型在拆卸/安装过程中，需要多次重复进行拆卸/安装的相同零件模型。

具体地，步骤S3中，所述三维模型的碰撞体包括盒子碰撞体和网格碰撞体；所述盒子碰撞体用于孤立的零件模型，所述网格碰撞体用于与其他模型碰撞体有交集的零件模型；当零件模型的位置比较突出、与相邻模型的关联性不紧密时，对该零件模型采用盒子碰撞体的碰撞方式，可以节约系统资源；当零件模型的碰撞体与其他模型的碰撞体有遮挡时，形成碰撞体相交，此时若采用盒子碰撞体会给操作者带来错误的操作体验，用户会选择不到目标模型，因此这种模型需采用网格碰撞体的碰撞方式，以保证模型被触发时的精度，虽然会消耗一定的显卡资源，但极大地提高了用户与模型交互操作的准确性。

所述盒子碰撞体为包围三维模型的最小体积的长方体，该长方体的每个面均与三维模型相切；所述网格碰撞体是基于三维模型的本体轮廓生成的将三维模型包围的网格多面体。

具体地，步骤S4中，所述三维模型的拆装过程设计方法为：首先，定义每项拆装任务的运动对象，然后对该运动对象的运动信息进行描述，建立该运动对象的拆装运动模型；所述运动对象的运动信息包括：仿真动画信息和运动类型信息；所述运动类型包括：螺旋运动、直线运动和空间运动。

具体地，步骤S5中，所述三维模型的交互设计方法为：首先，构建CAVE显示系统，再利用光学跟踪定位系统和虚拟外设的API接口编写交互逻辑，培训对象即可通过虚拟外设与CAVE显示系统提供的虚拟环境进行交互。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

附图说明

图1为本发明实施例1一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统的架构示意图；

图2为本发明实施例2中构建水电站仿真培训系统的方法流程示意框图；

图3为本发明实施例2中构建水电站环境和设备的三维模型的方法流程示意框图；

图4为本发明实施例2中对三维模型的碰撞体进行设计的流程示意框图；

图5为本发明实施例1中五面LED-CAVE沉浸式虚拟仿真系统的结构示意图；

图6为本发明实施例1中光学跟踪定位方法的流程示意框图；

图中：1、正幕；2、左幕；3、右幕；4、顶幕；5、地幕；6、主摄像头；7、辅助摄像头；8、斜锥形安装孔；9、云台；10、定位反光球；11、风幕机；12、支脚。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，通过虚拟现实平台将水电站三维模型与CAVE显示系统进行整合，通过虚拟现实平台编写交互逻辑功能程序，赋予静态的水电站三维模型交互的能力；该培训系统的仿真体系架构包括：

数据层，所述数据层包括：厂区厂房三维模型数据、设备机组三维模型数据和培训业务数据；所述厂区厂房三维模型数据用于构建厂区厂房及周边环境的三维模型；所述设备机组三维模型数据用于构建厂房内部设备机组的精确三维模型；所述培训业务数据用于提供具体的培训业务内容；所述数据层用于提供虚拟仿真所需的各种模型数据。

平台层，所述平台层为五面LED-CAVE沉浸式虚拟仿真系统，所述仿真系统包括五面LED显示屏、光学跟踪定位系统以及信号同步显示系统；所述五面LED显示屏包括正幕1、左幕2、右幕3、顶幕4和地幕5，该五面LED显示屏合围构成一个半封闭式的盒子，用于为培训对象提供虚拟仿真环境；所述光学跟踪定位系统用于获取培训对象的位置信息，并获取培训对象的动作数据；所述信号同步显示系统用于将虚拟场景同步渲染至五面LED显示屏上；所述平台层位于应用层和数据层之间，用于提供沉浸式虚拟仿真环境。

应用层，所述应用层利用虚拟现实平台将数据层的模型数据、培训业务数据与平台层的仿真系统进行整合，实现场景漫游功能、设备认知功能、透视展示功能、剖切展示功能、设备拆解功能、设备安装功能、信息呈现功能以及虚实交互功能；所述应用层实现每个功能的内在逻辑。

具体地，如图5所示，所述五面LED-CAVE沉浸式虚拟仿真系统由五面LED显示屏幕和钢结构框架构成一个半封闭式盒体结构；所述地幕5下方设有风幕机11，用于对五面LED显示屏幕进行散热；所述钢结构框架包括五面屏幕的安装框架以及用于撑起五面LED显示屏幕的支脚12，所述地幕5离地30cm，用于安装风幕机11。

具体地，所述光学跟踪定位系统包括光学跟踪计算机和光学跟踪相机；所述光学跟踪相机包括4个主摄像头6、2个辅助摄像头7；所述主摄像头6/辅助摄像头7内部配置有低噪音CCD芯片以及对拍摄数据进行优化的FPGA芯片；所述光学跟踪相机还包括用于二维计算的内部PC机；用于计算操作者在空间中的二维位置信息。

所述4个主摄像头6分别设置在五面LED显示屏幕左幕2的前上方、前下方以及右幕3的前上方、前下方4个位置；所述2个辅助摄像头7分别设置在顶幕4的后方两侧；所述主摄像头6、辅助摄像头7均为红外发射摄像头。所述光学发射摄像头的有效捕捉距离为4.5米以内，最佳捕捉距离为3.5～4.5米，经过光学跟踪光路图模拟试验证明，这种安装结构既能保证画面的完整性，又能保证最大限度的操作者的有效活动范围。

进一步地，所述左幕2的前上方、前下方以及右幕3的前上方、前下方分别设有4个用于安装所述主摄像头6的安装孔；所述安装孔为斜锥形安装孔8，通过设置所述斜锥形安装孔8，便于调节摄像头的拍摄角度；其中，前上方定义为靠近正幕1的一边的上方，前下方定义为靠近正幕1的一边的下方；所述正幕1、左幕2、右幕3、顶幕4和地幕5均安装在用于承载屏体的钢结构架上，所述钢结构架的正面用于安装屏体，所述钢结构架的背面通过木板封装。开孔时，所述斜锥形安装孔8的开孔方向始终对着操作者佩戴的标记设备(即主摄像头6始终对着操作者的双眼方位)，操作者站在与正幕1距离2m左右的位置；所述斜锥形安装孔8占据了约30*30个像素点。

进一步地，所述斜锥形安装孔8位于屏幕正面的圆孔直径为45mm，位于屏幕背面的圆孔直径可根据摄像头可调节角度灵活设定，角度越大，该圆孔直径越大；位于左幕22/右幕33上方的斜锥形安装孔8朝向下开孔，位于左幕2/右幕3下方的斜锥形安装孔8朝向上开孔，方便调节摄像头的方向更好的捕捉到目标标记设备(3D眼镜)。

进一步地，所述2个辅助摄像头7通过云台9安装在所述顶幕4后方，所述云台9通过焊接方式安装在所述顶幕4上，所述云台9为方向可调节的云台9；其中，顶幕4后方定义为顶幕4上远离正幕1的一端；所述2个辅助摄像头7用于在操作者侧身或者转身动作时，对操作者的动作进行捕捉。

进一步地，所述光学跟踪定位系统获取3D眼镜的空间位姿信息的方法为：通过光学跟踪相机获取3D眼镜在五面LED显示屏幕内部空间中的位置信息，通过光学跟踪计算机对所述3D眼镜的位置信息进行处理，并结合光学跟踪相机的姿态信息得到3D眼镜在五面LED显示屏幕内部空间中的位姿信息；所述3D眼镜上设有两个定位反光球10，用于所述光学跟踪相机捕捉3D眼镜的位置信息。

如图6所示，所述光学跟踪定位系统的跟踪定位原理如下：通过光学跟踪计算机在五面LED-CAVE显示屏内建立空间坐标系，并根据6个摄像头安装的位置及各自调节的角度获取6个摄像头的自由度的姿态信息，即各摄像头在空间坐标系中的坐标；当操作者佩戴好3D眼镜套件后，6个摄像头同时对五面LED-CAVE显示屏内的空间进行覆盖拍摄，摄像头发出的红外光经3D眼镜套件上的红外定位反光球10反射后再次被摄像头捕获，光学跟踪计算机根据摄像头发射和接收的红外光的角度及时间间隔即可精确计算出操作者在空间中的三维坐标；光学跟踪计算机再根据6个摄像头各自在坐标系内自由度的姿态信息计算出操作者的姿态信息(操作者面部朝向，即视角)，最后，光学跟踪计算机根据操作者在空间内的三维坐标以及姿态信息映射出虚拟场景中人物视角对应的虚拟画面信息(根据操作者的三维坐标放大/缩小虚拟场景中画面的大小，根据操作者的姿态信息切换虚拟场景中的画面信息)，并在五面LED-CAVE显示屏上显示出与人物视角相对应的虚拟场景。

具体地，所述信号同步显示系统包括多台图形工作站、无线信号发射器和无线信号接收器；所述多台图形工作站均配置有显卡和同步卡；所述无线信号接收器安装在3D眼镜内部，用于接收无线信号发射器发出的控制指令；所述多台图形工作站通过同步卡实现同步控制。所述3D眼镜内部设有无线信号接收器和控制器；所述3D眼镜的两个镜片内部均设有液晶层；所述无线信号接收器用于接收所述无线信号发射器发送的控制信号，所述控制器用于根据所述控制信号控制3D眼镜的两个镜片切换显示。3D信号同步显示系统根据3D眼镜的空间位姿信息生成左右眼两组画面图像，并将该两组画面在所述五面LED显示屏幕上交替显示；3D信号同步显示系统通过无线的通信方式向3D眼镜发送控制指令，控制3D眼镜的左右两个镜片切换显示，该两个镜片的切换频率与所述两组画面的交替频率保持同步。而实现五面LED-CAVE显示屏的无缝拼接同步显示，提高了用户的沉浸式虚拟现实体验感。所述3D眼镜内部设有无线信号接收器和控制器；所述3D眼镜的两个镜片内部均设有液晶层；所述无线信号接收器用于接收所述无线信号发射器发送的控制信号，所述控制器用于根据所述控制信号控制3D眼镜的两个镜片切换显示。

进一步地，配置所述信号同步显示系统的方法为：根据五面LED显示屏幕的尺寸，计算每个屏幕的分辨率；再根据每个屏幕的尺寸、分辨率配置图形工作站的台数及显卡参数；将多台图形工作站的同步卡通过网线串联实现同步控制，并任意选一台图形工作站作为主控机分别与光学跟踪计算机、无线信号发射器相连。

进一步地，所述3D信号同步显示系统包括无线信号发射器、无线信号接收器和7台图形工作站；所述7台图形工作站均配置有显卡和同步卡；所述无线信号接收器安装在3D眼镜内部，用于接收无线信号发射器发出的控制指令；

所述正幕1尺寸为4200*2700mm，所述左幕2尺寸为2400*2700mm，所述右幕3尺寸为2400*2700mm，所述地幕5尺寸为4500*2500mm，所述顶幕4尺寸为4200*2362.5mm；所述正幕1、顶幕4、左幕2、右幕3的像素间距为1.562mm，所述地幕5的像素间距为4.8mm；根据所述正幕1的尺寸及像素间距可以计算出所述正幕1的分辨率为2688(4200/1.562)*1728(2700/1.562)，同理可计算出左幕2、右幕3的分辨率为1536*1728；所述顶幕4的分辨率为2688*1512，所述地幕5的分辨率为1536*1728；所述正幕1采用两台HPZ840高性能图形工作站，所述左幕2和右幕3各采用一台HPZ840高性能图形工作站，所述顶幕4采用两台HPZ840高性能图形工作站，所述地幕5采用一台HPZ840高性能图形工作站。

实施例2

如图2所示，本实施例提供了一种基于虚拟现实技术的水电站仿真培训系统的构建方法，具体包括以下步骤：

S1，构建水电站环境和设备的三维模型；

S2，对三维模型的操作流程进行设计；

S3，对三维模型的碰撞体进行设计；

S4，对三维模型的拆装过程进行设计；

S5，对三维模型的交互进行设计，实现培训对象与虚拟环境之间的互动。

具体地，如图3所示，步骤S1中，构建水电站环境和设备的三维模型的方法包括以下步骤：

S11，采用三维激光扫描仪和图纸获取厂区厂房、建构筑物、设备的三维数据，采用无人机航拍测量技术获取水电站地形地貌的特征数据；

S12，根据获取的三维数据和水电站地形地貌的特征数据，采用3ds Max建模工具建立厂区厂房结构、建构筑物、设备的三维模型以及水电站的外观模型；

S13，将建立好的模型合并为三维场景，并对合并后的三维场景进行编辑和设置；

S14，对三维场景和模型进行优化。

进一步地，步骤S12中，建立厂区厂房结构、建构筑物的三维模型后，再用PhotoShop对模型进行贴图制作，即给模型添加色彩，增加其真实度；再将模型导出为M3D兼容的FBX格式模型文件；最后，将导出的FBX文件和贴图同时导入到M3D中建立模型库。

进一步地，步骤S12中，建立水电站的外观模型需要采用M3D的地形编辑系统进行水电站外观的建模；首先导入测绘DEM数据生成厂房地形地貌；再使用GlobalMapper准确选出水电站相关区域并把数据转化成worldMachine可识别的格式，通过WorldMachine设置分辨率(分辨率越高，构建速度越慢，精度越高)，生成准确地形；最后将地形数据导入M3D修改细节并添加材质；最后，将构建好的外观模型生成灰度图、法线图以及一个压缩包文件，再将该压缩包文件导入M3D制作地形。

进一步地，步骤S13中，在M3D中将模型库中的模型整体合并并集成之后，就可以在M3D中进行实时的仿真浏览，此时的模型只有颜色效果，还需要在M3D中对模型进行编辑和设置，具体编辑设置内容如下：

创建灯光：在虚拟场景中模拟现实灯光进行渲染，通过调试灯光及材质等参数达到最佳效果，最后进行灯光烘焙；

材质调整：对模型材质进行调整，使模型具有反射、折射等各种物理属性，让模型和整个场景更具有真实性；

开启碰撞检测：给墙壁、地面、设备等主要模型添加碰撞检测，可以增强在虚拟场景中漫游的真实感。

进一步地，三维虚拟模型如果结构太简单或细节太粗糙，势必会给用户带来虚假的感觉；而精细、复杂的虚拟模型虽然能达到非常逼真的效果，但却会影响虚拟场景驱动实时渲染的运行效率，从而降低人机交互的流畅性；当虚拟场景的逼真度和系统运行速度发生矛盾时，应当先保证系统运行时渲染的速度，进行场景模型精简和场景模型优化；

步骤S14中，对模型的优化为：在模型的制作过程中，通过去除冗余的几何面、模型精简、删除重叠面等方法对模型进行优化。三维虚拟场景实时渲染时速度受限制的主要原因在于模型过于复杂，场景模型总三角面数太多。

对场景总体结构进行优化方法包括：

层次细节技术(LOD，Level of Detail)：按照空间距离的远近分层展示不同细节程度的场景，根据人的视觉感规律来设计场景的调度方式，针对不同细节等级使用相应不同的细节层次模型来描述，在用户进行漫游时，根据观察的不同距离进行LOD场景模型切换，即当距离远时，就调用较为粗略的模型，当距离近时，调用精细的模型。

遮挡剔除技术(Occlusion Culing)：在渲染前先确定摄像机的可视化范围，同时控制实现对预定摄像机内可见的物体进行渲染。Occlusion Culling的数据由单元(Cells)组成，每个单元是整个场景范围数值的一部分，更多特定的单元来自一个二叉树(binarytree)，Occlusion Culling使用2个叉，一个给View Cells(静态物体)，另一个给TargetCells(移动物体)。同时遮挡剔除与视椎体剔除(Frustum Culling)的使用效果是叠加的，该系统中将2种剔除叠加使用，大大降低了Draw Calls的数量并显著提高系统的运行效率。

具体地，步骤S2中，对三维模型(本实施例以导叶接力器为例)的操作流程进行设计的方法为：导叶接力器拆卸流程分为接力器拆解与接力器解体两大环节，其中接力器拆解分为20步，接力器解体分为15步，每一步都对应了相应的零件模型，有的步骤是操作一个零件，有的步骤则是操作一批零件，即同样的操作技巧要执行多次，因此在分析模型操作规程时，要充分梳理每一步的模型是否需要多次重复进行拆卸，将这类具备同等拆卸属性的模型在Solidworks进行打组，归类为同一个零件。这样做的目的是在充分保证拆卸流程步骤正确的基础上，极大的增强了系统渲染效率，只有零件节点数少了，系统的运行效率才会提高，但零件模型外观、零件模型操作和前后的关联模型都予以保留。按照这种方式，对照模型操作规程逐一分析模型的拆卸逻辑，设计合理的模型场景，可优化对设备模型拆卸的逻辑编程代码，提高用户操作交互设备的流畅性。

具体地，如图4所示，在虚拟场景中，用户与目标模型的互动主要靠虚拟引擎中的“碰撞体”，利用用户手中的操作手柄射线与碰撞体发生碰撞，系统即可获取相应的碰撞事件响应。步骤S3中，所述三维模型的碰撞体包括盒子碰撞体和网格碰撞体；所述盒子碰撞体是以性能为主的AABB盒子碰撞设计方式，即轴对齐包围盒，利用长方体对三维模型进行包围，立方体的每一条边都平行于一个坐标平面且与坐标系的轴垂直；所述网格碰撞体是以模型本身生成复杂网格碰撞体设计方式，在模型的本体轮廓上形成基于网格的碰撞体，这种方式会消耗更多的显卡资源，但是在用户操作时会精准的捕捉到不规则物体或者细小零件；

本实施例同时采用了上述两种碰撞设计方式，当零件模型的位置比较突出、与相邻模型的关联性不紧密时，对该零件模型采用盒子碰撞体的碰撞方式，可以节约系统资源；当零件模型的碰撞体与其他模型的碰撞体有遮挡时，形成碰撞体相交，此时若采用盒子碰撞体会给操作者带来错误的操作体验，用户会选择不到目标模型，因此这种模型需采用网格碰撞体的碰撞方式，以保证模型被触发时的精度，虽然会消耗一定的显卡资源，但极大地提高了用户与模型交互操作的准确性。

具体地，步骤S4中，虚拟现实拆装技术实质上是一个人机系统运动的过程，主要是对仿真场景中的操作动作以及人与虚拟模型之间的交互作用的仿真；本实施例将基于运动捕获数据的仿真技术和关键帧的仿真动画技术相结合，以此模拟虚拟模型的拆装运动；所述三维模型的拆装过程设计方法为：首先，定义每项拆装任务的运动对象，然后对该运动对象的运动信息进行描述，建立该运动对象的拆装运动模型；

进一步地，由于采用关键帧方法，所以拆装运动信息包含仿真动画信息，在描述拆装运动信息的同时，还需考虑到各零件之间的配合约束关系(如定位关系、运动关系、连接关系等)。因此，拆装运动信息主要包括仿真动画、运动类型、位移、转角的信息；

本实施例将运动类型划分为：螺旋运动、直线运动及空间运动。螺旋运动主要用于表现采用螺纹连接的零件部件的拆装过程，例如拆卸螺钉时，螺钉的运动，用于描述螺旋运动的信息有：选装方向、角度以及位移等。直线运动用于表现拆装过程中拉、推等运动，用于描述直线运动的信息有：运动方向、位移等。空间运动用于表现拆装过程中零部件在虚拟场景中空间位置变换的运动，用于描述空间运动的信息有：仿真动画的起始关键帧、结束关键帧等。在拆装过程中，通过射线检测技术检测点击的拆卸模型，然后判断拆卸模型中是否存在拆卸路径，若存在则调用目标拆卸算法进行目标拆卸。

虚拟现实中的交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到的反馈的自然程度(包括实时性)。虚拟拆装中的交互模型用于描述虚拟场景下人机交互时的行动与行为，是完成拆装仿真的基础。良好的交互性可以精确地实现虚拟场景中视点、设备及零部件的选择、移动。

本实施例是基于CAVE显示系统的虚拟现实系统，人机交互过程主要通过操作手柄和3D眼镜来实现；用户通过手柄输入操作信息，眼镜追踪操作者的头部高度及姿态，为了能够准备表达真实人物在虚拟场景中的位置，首先需要利用DTrack软件对真实空间的坐标系进行校准，使得头部、手部能够实时与虚拟场景匹配，系统通过事件驱动形成反馈，通过五面CAVE屏幕显示输出结果。

对空间内的坐标系进行空间校准的方法为：将LED-CAVE显示屏的主控机与光学跟踪计算机的主机通过局域网连接，首先利用校准板校准空间中的坐标系，然后校准操作手柄，操作者右手手持手柄水平指向前方，保证手柄前端与立面垂直，利用主控机上的DTrack软件进行校准；再让操作者戴上设有定位反光球10的3D眼镜套件，平视前方，利用DTrack软件进行校准；当手柄和3D眼镜套件上的定位反光球10都能被光学跟踪相机捕捉到时，校准完毕。

虚拟现实软件发布后，将可执行程序文件发布至由一台主控机和七台渲染机组成的1+7集群环境中，在主控上配置每一台工作站参与渲染的画面大小、分辨率，由主控机通过以太网通讯的方式通知其余各工作站同步启动渲染程序，形成五面CAVE3D立体环境，然后通过光学跟踪系统以及虚拟外设的API接口，编写交互逻辑，最终完成基于五面CAVE环境的虚拟现实系统的开发。

整个操作流程设计合理，且具有较快的响应速度。系统中的交互行为主要包括零件及视角的移动和转动、设备的自动拆装、设备工作原理、动画播放机拆装过程中的提示与帮助等。交互操作简便，并考虑到人手的活动习惯和操作舒适性，在用户具有业务背景知识的前提下，通过少量培训，甚至不需培训，即可掌握系统的使用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，通过虚拟现实平台将水电站三维模型与CAVE显示系统进行整合，通过虚拟现实平台编写交互逻辑功能程序，赋予静态的水电站三维模型交互的能力；该培训系统的仿真体系架构包括：

数据层，所述数据层包括：厂区厂房三维模型数据、设备机组三维模型数据和培训业务数据；所述厂区厂房三维模型数据用于构建厂区厂房及周边环境的三维模型；所述设备机组三维模型数据用于构建厂房内部设备机组的精确三维模型；所述培训业务数据用于提供具体的培训业务内容；

平台层，所述平台层为五面LED-CAVE沉浸式虚拟仿真系统，所述仿真系统包括五面LED显示屏、光学跟踪定位系统以及信号同步显示系统；所述五面LED显示屏包括正幕、左幕、右幕、顶幕和地幕，该五面LED显示屏合围构成一个半封闭式的盒子，用于为培训对象提供虚拟仿真环境；所述光学跟踪定位系统用于获取培训对象的位置信息，并获取培训对象的动作数据；所述信号同步显示系统用于将虚拟场景同步渲染至五面LED显示屏上；

应用层，所述应用层利用虚拟现实平台将数据层的模型数据、培训业务数据与平台层的仿真系统进行整合，实现场景漫游功能、设备认知功能、透视展示功能、剖切展示功能、设备拆解功能、设备安装功能、信息呈现功能以及虚实交互功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，所述光学跟踪定位系统包括光学跟踪计算机和光学跟踪相机；所述光学跟踪相机包括4个主摄像头、2个辅助摄像头；所述主摄像头/辅助摄像头内部配置有低噪音CCD芯片以及对拍摄数据进行优化的FPGA芯片；所述光学跟踪相机还包括用于二维计算的内部PC机；

所述4个主摄像头分别设置在五面LED显示屏幕左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方4个位置；所述2个辅助摄像头分别设置在顶幕的后方两侧。

3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，所述左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方分别设有4个用于安装所述主摄像头的安装孔；所述安装孔为斜锥形安装孔；所述2个辅助摄像头通过云台安装在所述顶幕后方。

4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，所述信号同步显示系统包括多台图形工作站、无线信号发射器和无线信号接收器；所述多台图形工作站均配置有显卡和同步卡；所述无线信号接收器安装在3D眼镜内部，用于接收无线信号发射器发出的控制指令；所述多台图形工作站通过同步卡实现同步控制。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，所述仿真培训系统的构建方法包括以下步骤：

S1，构建水电站环境和设备的三维模型；

S2，对三维模型的操作流程进行设计；

S3，对三维模型的碰撞体进行设计；

S4，对三维模型的拆装过程进行设计；

S5，对三维模型的交互进行设计，实现培训对象与虚拟环境之间的互动。

6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，步骤S1中，构建水电站环境和设备的三维模型的方法包括以下步骤：

S11，采用三维激光扫描仪和图纸获取厂区厂房、建构筑物、设备的三维数据，采用无人机航拍测量技术获取水电站地形地貌的特征数据；

S12，根据获取的三维数据和水电站地形地貌的特征数据，建立厂区厂房结构、建构筑物、设备的三维模型以及水电站的外观模型；

S13，将建立好的模型合并为三维场景，并对合并后的三维场景进行编辑和设置；

S14，对三维场景和模型进行优化。

7.根据权利要求5所述的一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，步骤S2中，对三维模型的操作流程进行设计的方法为：将具备同等拆卸/安装属性的零件模型进行打组，减少零件模型节点数，简化设备模型的拆卸/安装逻辑；所述同等拆卸/安装属性定义为：设备模型在拆卸/安装过程中，需要多次重复进行拆卸/安装的相同零件模型。

8.根据权利要求5所述的一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，步骤S3中，所述三维模型的碰撞体包括盒子碰撞体和网格碰撞体；所述盒子碰撞体用于孤立的零件模型，所述网格碰撞体用于与其他模型碰撞体有交集的零件模型。

9.根据权利要求5所述的一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，步骤S4中，所述三维模型的拆装过程设计方法为：首先，定义每项拆装任务的运动对象，然后对该运动对象的运动信息进行描述，建立该运动对象的拆装运动模型；所述运动对象的运动信息包括：仿真动画信息和运动类型信息；所述运动类型包括：螺旋运动、直线运动和空间运动。

10.根据权利要求5所述的一种基于虚拟现实技术的水电站检修仿真培训系统，其特征在于，步骤S5中，所述三维模型的交互设计方法为：首先，构建CAVE显示系统，再利用光学跟踪定位系统和虚拟外设的API接口编写交互逻辑，培训对象即可通过虚拟外设与CAVE显示系统提供的虚拟环境进行交互。