CN111729323B - 一种六自由度轨道游乐设备实时数据驱动vr镜头的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，包括：步骤1、构建虚拟路径：将六自由度轨道游乐设备的轨道对应的三维空间坐标导入VR设备的虚拟场景中形成虚拟路径；步骤2、平滑解析实时数据：VR设备实时接收在轨道上运行的游乐设备实时连续采集的距离值，并进行连续平滑解析处理成三维空间坐标；步骤3、平滑驱动虚拟镜头：VR设备虚拟场景的虚拟路径上按三维空间坐标对应的位置平滑驱动该VR设备的VR镜头。该方法很好的将六自由度有轨游乐设备与VR设备相结合，带给体验者同步平滑的视觉效果，实现体感与视觉真正统一，能在体验游乐设备时体验不同的VR内容，使体验内容多样化。

Description

一种六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法
技术领域
本发明涉及有轨游乐设备领域，尤其涉及一种六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法。
背景技术
近年来，虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术作为一种新型技术发展很快，引领虚拟现实技术向前发展的公司(如：HTC,三星等)也生产了许多的虚拟现实穿戴设备。多样化的VR设备也给游戏娱乐行业提供了多样选择。
六自由度有轨游乐设备是现在许多主题公园的室内轨道游览设备，轨道长达400多米，这类型设备都能实时采集当前设备的位置(小车与场景原点的距离值)与姿态(座椅的旋转值)，并且能进行网络通信，能实时将数据传输到服务器。通过将虚拟现实技术与六自由度有轨游乐设备相结合就能实现在室内轨道项目体验虚拟内容，当然虚拟内容可以是多样化的全景视频或者实时渲染的游戏内容，这样就能实现虚拟内容体验的多样性和娱乐性。
但现有的轨道游乐设备并未做到虚拟与现实真正同步，导致在体验过程中体感与视觉存在很大的差异。
发明内容
基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，能解决现有结合虚拟现实技术的六自由度有轨游乐设备，所存在的并未做到虚拟与现实真正同步，导致在体验过程中体感与视觉存在很大差异问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供一种六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，包括：
步骤S1、构建虚拟路径：将六自由度轨道游乐设备的轨道对应的三维空间坐标导入VR设备的虚拟场景中形成虚拟路径；
步骤S2、平滑解析处理实时数据：所述VR设备实时接收在轨道上运行的所述六自由度轨道游乐设备实时连续采集的距离值，并将接收的所述距离值连续平滑解析处理成所述虚拟场景中的三维空间坐标；
步骤S3、平滑驱动虚拟镜头：所述VR设备在所述虚拟场景的虚拟路径上按所述三维空间坐标对应的位置平滑驱动该VR设备的VR镜头。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，其有益效果为：
通过预先将六自由度轨道游乐设备的轨道在VR设备虚拟场景中形成虚拟路径，再将六自由度轨道游乐设备实时连续采集的距离值平滑解析处理成三维空间坐标后，在VR虚拟场景中，VR设备利用三维空间坐标，在虚拟路径上对应的位置平滑驱动该VR设备的VR镜头，实现了用六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR设备的VR镜头，带给游客同步的游乐体验，由于对六自由度轨道游乐设备实时连续采集的距离值通过平滑解析处理转换成连续平滑的三维空间坐标，使得驱动VR镜头的数据更平滑、连续，不会卡顿，使用户能获得同步、连续平滑的视觉体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的方法中轨道CAD图在三维软件对应的三维空间坐标图；
图3为本发明实施例提供的方法中根据离线数据在Unity3D软件中模拟出的虚拟轨道图；
图4为本发明实施例提供的方法中六自由度轨道车游乐设备实时数据驱动VR镜头的整体硬件构成示意图；
图5为本发明实施例提供的方法中六自由度轨道车游乐设备实时数据采集图；
图中各标号对应的部件为：1-VR眼镜；2-六自由度轨道车；3-轨道车控制装置；4-数据采集装置；5-数据平滑解析处理装置。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图1所示，本发明实施例提供一种六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，可用于佩戴VR眼镜的六自由度有轨游乐设备，包括：
步骤S1、构建虚拟路径：将六自由度轨道游乐设备的轨道对应的三维空间坐标导入VR设备的虚拟场景中形成虚拟路径；
步骤S2、平滑解析处理实时数据：所述VR设备实时接收在轨道上运行的所述六自由度轨道游乐设备实时连续采集的距离值，并将接收的所述距离值连续平滑解析处理成所述虚拟场景中的三维空间坐标；
步骤S3、平滑驱动虚拟镜头：所述VR设备在所述虚拟场景的虚拟路径上按所述三维空间坐标对应的位置平滑驱动该VR设备的VR镜头。
所述方法的步骤S2中，将接收的所述距离值连续平滑解析处理成所述虚拟场景中的三维空间坐标为：
对接收的所述距离值进行平滑处理得到平滑距离值，再将所述平滑距离值解析成三维空间坐标。
所述方法的步骤S2中，所述对接收的所述距离值进行平滑处理得到平滑距离值为：
通过开辟缓冲区连续接收缓存一段保持连续的距离值：通过开辟缓冲区能保证接收距离值的连续性，保证后续解析得到的三维空间坐标更平滑；
所述将所述平滑距离值解析成三维空间坐标是通过平滑插值的方式进行解析，具体为：
通过已知两点的三维空间坐标求解作为未知点的所述平滑距离值的三维空间坐标，两点之间的距离公式为：
(Pc-Pl)2＝(Pc.x-Pl.x)2+(Pc.z-Pl.z)2； (1)
(Pc-Pn)2＝(Pc.x-Pn.x)2+(Pc.z-Pn.z)2； (2)
所述式(1)、(2)中，Pl、Pn为离线采集的所述虚拟场景中已知两点的三维空间坐标，Pc为所述平滑距离值作为未知点在所述虚拟场景的三维空间坐标。
通过上述的平滑插值方式，将平滑距离值转换成三维空间坐标，由于采用了插值处理，也进一步保证了解析后三维空间坐标的连续性，用其驱动VR镜头能保证平滑性。
所述方法的步骤S1中，六自由度轨道游乐设备的轨道对应的三维空间坐标为：
将与六自由度轨道游乐设备的实际轨道同比例的轨道CAD图导入到三维软件中，通过所述三维软件将所述轨道CAD图换算成三维空间坐标。
所述三维软件采用Maya三维软件。
所述方法的步骤S2中，所述六自由度轨道游乐设备实时连续采集的距离值的方式为：
所述六自由度轨道游乐设备的轨道上预先安装有对距离进行标识的条形二维码；
通过所述六自由度轨道游乐设备上设置的二维码识别器实时读取轨道当前位置的条形二维码得到二维码值，获取的当前二维码值作为采集的距离值传送给该六自由度轨道游乐设备的控制装置，通过所述控制装置发送给所述VR设备。优选的，控制装置通过与其通信连接的VR服务器软件发送给所述VR设备。
本发明的方法，通过预先将六自由度轨道游乐设备的轨道在VR设备虚拟场景中形成虚拟路径，再将六自由度轨道游乐设备实时连续采集的距离值平滑解析处理成三维空间坐标后，VR设备将三维空间坐标平滑处理成平滑三维空间坐标，在VR虚拟场景中，在所述虚拟路径上按平滑三维空间坐标对应的位置驱动该VR设备的VR镜头，实现了用六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR设备的VR镜头，能实现体感与视觉的真正统一，带给游客同步的游乐体验，由于对六自由度轨道游乐设备实时连续采集的距离值转换三维空间坐标采用的是平滑解析处理，并对解析得到的三维空间坐标再进行平滑处理后再用于驱动VR镜头，使得驱动VR镜头的数据更平滑、连续，不会卡顿，用户体验更好。
下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，优选的，运行该方法的系统包括：六自由度轨道车、VR眼镜、轨道车控制装置和数据采集装置。
如图4、图5所示，六自由度轨道车在轨道上运行，在该六自由度轨道车上按轨道原点到轨道各点的距离值贴设多个条形二维码，能通过读取当前的条形二维码的值，确定六自由度轨道车在轨道上的当前距离值(即当前位置距离作为0点的原点的距离值)，数据采集装置采用设置在六自由度轨道车的二维码识别器，通过二维码识别器扫描轨道上当前位置的条形二维码，读取得到的二维码值作为该六自由度轨道车在轨道上当前的距离值，并发送至轨道车控制装置，完成实时数据采集；
VR眼镜(运行VR软件系统，如Unity3D软件)经VR服务器(运行VR服务器的软件系统)与轨道车控制装置通信连接，能对轨道车控制装置发送的所采集距离值进行平滑和解析处理得到对应的三维空间坐标；VR眼镜对三维空间坐标进行平滑处理后得到平滑三维空间坐标，再用平滑三维空间坐标在虚拟场景的虚拟路径上驱动VR镜头。
上述系统各设备之间均采用无线网络，具体包括：六自由度轨道车与轨道车控制装置(如PLC)之间的数据传输、轨道车控制装置与VR服务器之间的数据传输、VR眼镜与VR服务器之间的数据传输，具体可通过无线路由器作为热点，将轨道车控制装置、VR服务器和VR眼镜均利用无线连接到无线路由器，建立一个局域网络，即可实现各设备之间的数据传输。可以知道，只要保证数据传输的实时性，也不限于局域网，也可以是广域网连接各设备。
网络连接后，VR服务器的软件系统与轨道车控制装置通信，接受轨道车控制装置发送的六自由度轨道车的各项设备数据。
VR服务器的软件系统与VR眼镜的VR软件系统通讯，来实时驱动VR眼镜的VR镜头的位移。VR眼镜采用具有无线网络连接功能的VR眼镜，连接到无线局域网，该VR眼镜的VR软件系统与VR服务器的软件系统能建立TCP/IP通讯，VR服务器的软件系统通过从轨道车控制装置接收的距离值数据处理后，发送到VR眼镜的VR软件系统，VR软件系统再对接收到的距离值数据进行平滑、解析处理后实时驱动VR眼镜的VR镜头。
该方法的具体处理步骤如下：
先构建虚拟场景中与六自由度轨道车的运行轨道对应的虚拟路径：
构建虚拟场景路径的原始数据是六自由度轨道车采集的现场运行的实时数据，将数据采集后(采集的数据可以CAD图形式存储)导入到Maya三维软件中换算成三维空间坐标，再将三维空间坐标导入VR眼镜的VR软件系统中输出成虚拟路径(参见图2所示)；
对采集的实时数据平滑解析处理：
由于实时采集的距离值是不连续的值，解析出来的三维空间坐标也是不连续的空间坐标点，这样用实时采集的距离值驱动虚拟镜头就会出现视觉卡顿，导致眩晕感；因此，将六自由度轨道车采集的当前位置距离值先进行平滑处理，具体是通过VR眼镜的VR软件系统开辟缓冲区缓存实时采集的距离值；这样通过开辟缓存区先缓存一定量的距离值数据，能实现距离值数据的连续性，保证数据的连续平滑；避免服务器发送一个距离值就使用一个距离值的方式，在某一个时刻若网络出现延迟等因素会造成距离值不连续，进而出现卡顿现象和造成视觉不平滑的问题；
之后，VR软件系统通过平滑插值算法对缓冲区缓存的距离值进行解析处理，将距离值解析成三维空间坐标；具体是从缓冲区中按先进先出的顺序，将缓存的距离值用平滑插值的方式进行解析得到三维空间坐标；
具体解析时用离线采集的虚拟空间坐标数据(即虚拟场景构建的三维空间坐标)配合解析，六自由度轨道车不断实时采集当前距离值，将这些实时数据带入要虚拟空间坐标中进行一个二元二次方程的求解即能将当前实时采集的距离值解析成三维空间坐标；
镜头平滑驱动处理：
VR眼镜利用解析后得到的三维空间坐标平滑驱动其VR镜头的位移(平滑后的轨道图参见图3，图3中的离线数据指实际轨道CAD图在Maya三维软件中转换得到的虚拟轨道的三维空间坐标数据)。由于三维空间坐标是经平滑后的距离值经插值方式得到了，保证了连续性，能达到平滑驱动VR镜头，避免卡顿的效果。
所述的对采集的实时数据平滑解析处理中，轨道车控制装置将距离值经VR服务器软件系统发送给VR眼镜的VR软件系统，VR眼镜的VR软件系统对距离值进行两个阶段的处理，首先，对距离值平滑处理，对距离值的平滑处理主要是通过开辟缓存区缓存距离值数据，保证缓存中有一定量的距离值数据，保证距离值数据的充分性和连续性，进而保证了对距离值进行解析后连续平滑性。其次，对缓存中的距离值利用平滑插值的方式解析成三维空间坐标。
通过平滑插值的解析处理具体为：虚拟场景原点到各点的距离，离线数据(即用maya三维软件获取的离线轨道三维空间坐标和原点到各点的距离值)包含了虚拟场景各点到原点的距离，将数据读取并保存至缓存以备后期实时数据解析算法使用。用VR服务器软件系统发送到VR软件系统的距离值与虚拟场景原点与各点的距离值进行比对，匹配当前采集的距离值所在区间的上一个点在虚拟场景中的三维空间坐标和下一个点在虚拟场景中的三维空间坐标。
通过已知离线采集虚拟空间空间坐标的两点(Pl,Pn)与现实采集而未知的虚拟场景空间坐标点(Pc)进行计算，由于处于同一个水平面上Y轴的值是0，所以不用计算。公式如下：
(Pc-Pl)2＝(Pc.x-Pl.x)2+(Pc.z-Pl.z)2 (1)
(Pc-Pn)2＝(Pc.x-Pn.x)2+(Pc.z-Pn.z)2 (2)
上述公式即为两点之间的距离公式，已知两点的三维空间坐标求解未知点的空间坐标即完成实时采集的数据解析。
将解析转化后的实时虚拟三维空间坐标数据通过平滑插值的方法赋值给VR软件系统的车体上，就能实时驱动VR软件系统的镜头平滑位移。
虚拟场景的三维空间坐标之间的插值移动主要通过Unity3D引擎的插值驱动接口来实现，公式如下：
Camera.transform.position＝Vector.Lerp(start.position,end.position,t)
Camera.transform.position表示当前摄像机的位置，Vector.Lerp()是Unity3D引擎的平滑插值函数，里面参数start.position表示当前摄像机平滑的起点，end.position表示摄像机平滑的终点，t是夹在[0...1]之间，当t＝0时，返回起点，当t＝1时，返回终点，当t＝0.5时，返回起点和终点的平均数。
综上所述，本发明提供一种六自由度有轨游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，通过VR服务器的软件系统获取轨道车控制装置采集的轨道车实时距离值数据，再由VR服务器的软件系统将实时距离值数据发送到VR设备的VR软件系统进行数据平滑、解析处理，从而实现将现有的VR虚拟技术与六自由度轨道车的技术有效结合，能使游客根据六自由度轨道车的运行同步平滑观看对应虚拟场景。该方法很好的将六自由度有轨游乐设备与VR设备相结合，带给体验者体感与视觉的真正统一，并且在体验六自由度轨道游乐设备时可以体验不同的VR内容，实现体验内容的多样化。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，其特征在于，包括：
步骤S1、构建虚拟路径：将六自由度轨道游乐设备的轨道对应的三维空间坐标导入VR设备的虚拟场景中形成虚拟路径；
步骤S2、平滑解析处理实时数据：所述VR设备实时接收在轨道上运行的所述六自由度轨道游乐设备实时连续采集的距离值，并将接收的所述距离值连续平滑解析处理成所述虚拟场景中的三维空间坐标；
步骤S3、平滑驱动虚拟镜头：所述VR设备在所述虚拟场景的虚拟路径上按所述三维空间坐标对应的位置平滑驱动该VR设备的VR镜头。
2.根据权利要求1所述的六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，其特征在于，所述方法步骤S2中，将接收的所述距离值连续平滑解析处理成所述虚拟场景中的三维空间坐标为：
对接收的所述距离值进行平滑处理得到平滑距离值，再将所述平滑距离值解析成三维空间坐标。
3.根据权利要求2所述的六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，其特征在于，所述对接收的所述距离值进行平滑处理得到平滑距离值为：
通过开辟缓冲区连续接收缓存一段保持连续的距离值；
所述将所述平滑距离值解析成三维空间坐标是通过平滑插值的方式进行解析，具体为：
通过已知两点的三维空间坐标求解作为未知点的所述平滑距离值的三维空间坐标，两点之间的距离公式为：
(Pc-Pl)2＝(Pc.x-Pl.x)2+(Pc.z-Pl.z)2； (1)
(Pc-Pn)2＝(Pc.x-Pn.x)2+(Pc.z-Pn.z)2； (2)
所述式(1)、(2)中，Pl、Pn为离线采集的所述虚拟场景中已知两点的三维空间坐标，Pc为所述平滑距离值作为未知点在所述虚拟场景的三维空间坐标。
4.根据权利要求1至3任一项所述的六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，其特征在于，所述方法步骤S1中，六自由度轨道游乐设备的轨道对应的三维空间坐标为：
将与六自由度轨道游乐设备的实际轨道同比例的轨道CAD图导入到三维软件中，通过所述三维软件将所述轨道CAD图换算成三维空间坐标。
5.根据权利要求4所述的六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，其特征在于，所述三维软件采用Maya三维软件。
6.根据权利要求1至3任一项所述的六自由度轨道游乐设备实时数据驱动VR镜头的方法，其特征在于，所述方法步骤S2中，所述六自由度轨道游乐设备实时连续采集的距离值的方式为：
所述六自由度轨道游乐设备的轨道上预先安装有对距离进行标识的条形二维码；
通过所述六自由度轨道游乐设备上设置的二维码识别器实时读取轨道当前位置的条形二维码得到二维码值，获取的当前二维码值作为采集的距离值传送给该六自由度轨道游乐设备的控制装置，通过所述控制装置经VR服务器发送给所述VR设备。
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