CN206115755U - 基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置，属于电操作的教具技术领域。其解决了现有技术存在的石化设备安全隐患高和音频教学可复用性差的问题。本实用新型包括计算机图形工作站、虚拟现实头盔、LED显示器、手柄、音响设备和电源，虚拟现实头盔内置有头盔显示器、陀螺仪、加速度计和磁力计，用户通过佩戴虚拟现实头盔对虚拟场景下预设石化设备的操作和拆解进行观看和学习，然后通过屏幕图形界面的提示使用手柄对石化设备进行演练操作；同时音响设备会发出对应的设备操作步骤提示，在演练阶段发生误操作时会发出警告声并提示受训用户改正误操作。本实用新型具有沉浸感高、交互性高、可自行操作等优点。

Description

基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置

技术领域

本实用新型涉及基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置，属于电操作的教具技术领域。

背景技术

目前我国石化产业发展迅速，石化厂区的各类设备数量和规模日益扩大，每年需要投入的维护和操作用户呈直线上升，对于用户的石化操作培训变得愈发重要。培训的强度和效果和石化产业对设备维护的重视程度紧密联系，近年来石化事故屡屡发生，相当一部分原因就是对于用户的培训力度不够、操作不够熟练造成的，而设备操作培训又受制于设备和用户数量比例的不平衡，这对石化产业的安全造成了隐患。另一方面，国内石化产业也尝试过使用许多非传统方式来提升培训质量和效率，比如利用平面漫画、动画或者伴以枯燥的音频教学，这类培训方式大都不具备可复用性，用户一旦离开设备，则难以复习、操练培训内容，无法给用户留下深刻记忆。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种受训用户营造具有高沉浸感、效果逼真的虚拟石化设备培训环境，通过把虚拟现实头盔、手柄和音响设备等装置巧妙集成在一个系统下，使用户感到身临其境，自行操作，支持离开设备进行虚拟培训，大幅提升体验水平和培训效果。

本实用新型是采用以下的技术方案实现的：一种基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置，包括计算机图形工作站、虚拟现实头盔、LED显示器、手柄、音响设备和电源，计算机图形工作站分别与虚拟现实头盔、LED显示器、手柄和音响设备相连，虚拟现实头盔内置有头盔显示器、陀螺仪、加速度计和磁力计，计算机图形工作站包括中央处理单元、力矩数据解析单元和三维仿真渲染加速单元，中央处理单元分别连接力矩数据解析单元和三维仿真渲染加速单元，力矩数据解析单元分别与手柄、陀螺仪、加速度计和磁力计相连；装载有数字石化设备培训平台的三维仿真渲染加速单元分别与头盔显示器、LED显示器和音响设备相连；电源分别与计算机图形工作站、虚拟现实头盔、LED显示器、手柄和音响设备相连。

进一步地，虚拟现实头盔的视场角为110°，头盔显示器刷新率为90Hz，头盔显示器的单屏分辨率为960×1080，通过USB3.0和HDMI接口与计算机图形工作站相连。

进一步地，手柄设置有控制虚拟现实头盔第一视角人物的前、后、左、右、左前、右前、左后和右后的按钮，设置有根据GUI控制虚拟场景中石化设备培训组装的摇杆和按钮。

进一步地，三维仿真渲染加速单元显卡设置有显存容量为4096MB，位宽为128bit，核心频率为1127/1178MHz，显存频率为7010MHz。

进一步地，LED显示器的分辨率为2560×1440。

进一步地，中央处理单元设置有CPU主频为3.6GHz，最大睿频为4GHz。

本实用新型让用户通过佩戴虚拟现实头盔对虚拟场景下预设石化设备的操作和拆解进行观看和学习，然后通过屏幕图形界面的提示使用手柄对石化设备进行演练操作；同时音响设备会发出对应的设备操作步骤提示，在演练阶段发生误操作时会发出警告声并提示受训用户改正误操作。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型只需用户头戴虚拟现实头盔，使用该培训装置，虚拟现实头盔能实时捕捉用户头部动作，具有高交互性和沉浸体验感，对培训内容更加深刻理解；

(2)本实用新型针对国内石化设备，专门对石化设备进行建模，高度还原虚拟设备拆解和操作过程，通过3D渲染单元GPU加速渲染，视觉效果逼真；

(3)本实用新型中力矩数据解析单元对虚拟现实头盔捕捉的人体头部运动数据进行分析处理，将陀螺仪、加速度计和磁力计获取的力矩双精度浮点数参数通过四元数转化，再将运算得出的旋转矩阵与场景内第一视角摄像机坐标相乘，从而得出下一帧摄像机的法线朝向信息，通过USB3.0缆线传送至中央处理单元；

(4)本实用新型中设有音响设备，接收中央处理单元传来的音频信号并转化为声信号，使虚拟景观游览时更加具有沉浸感；

(5)本实用新型中的中央处理单元接收从力矩数据解析单元和三维仿真渲染加速单元的数据，并进行统一解析运算，图像信息出了分发给LED显示器，同样会传回虚拟现实头盔，从而实现虚拟现实头盔内置显示器提供给用户影响，而LED显示器则同步实时无缝地显示同样的影响，让数字石化设备培训室内其他用户也能看到虚拟现实头盔内景象；

(6)本实用新型中手柄起到了控制虚拟场景下用户手部的运动，通过图形界面的文字提示和音响的声音提示，按下前、后、左、右、左前、右前、左后和右后按钮可以向中央处理单元发送对应的人物移动指令，用户头戴虚拟现实头盔手持手柄即可实现在虚拟场景下的设备模拟操作；

(7)本实用新型增强了体验沉浸感、实现了高度的交互性，为诸多石化产业厂区的设备培训带来了便利，受训用户可以在不具备设备环境时重温、复习石化设备的操作，并且可以直观地浏览观看设备的拆解演示，体现出在石化产业培训课题中广阔的使用前景。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的工作流程图。

图3是本实用新型虚拟数字设备效果图。

图4是本实用新型硬件设备的连接图。

图中：1虚拟现实头盔；2手柄；3计算机图形工作站；4中央处理单元；5力矩数据解析单元；6三维仿真渲染加速单元；7音响设备；8LED显示器；9电源。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例一：

如图1所示，基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置，包括虚拟现实头盔1、LED显示器8、手柄2、音响设备7、计算机图形工作站3和电源9。计算机图形工作站3分别与虚拟现实头盔1、手柄2、LED显示器8和音响设备7相连；虚拟现实头盔1包括两块5.7寸分辨率为960×1080虚拟现实头盔1显示器、以及用来追踪头部动作的加速度传感器、陀螺仪和磁力计，并且通过USB3.0和HDMI缆线与计算机图形工作站3中的力矩数据解析单元5和三维仿真渲染加速单元6相连；手柄2场景内人物的前、后、左、右、左前、右前、左后和右后的按钮，并根据视口内GUI控制虚拟场景中石化设备培训组装的摇杆和按钮，并通过无线方式直接与中央处理单元4相连，同时力矩数据解析单元5和三维仿真渲染加速单元6与中央处理单元4相连，经过将传感器的力矩数据统一分析处理后，对应地运算和渲染出场景内第一视角人物所看到的虚拟图像，逐帧地将图像信息传送至虚拟现实头盔1显示器和LED显示器8，LED显示器8同步无缝显示用户漫游时虚拟现实头盔1内的实时场景，供给参与培训的其他用户实时观摩虚拟设备的操作和拆解过程。

根据本实用新型的基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置，虚拟现实后虚拟现实头盔1设置有视场角为110°；虚拟现实头盔1屏幕刷新率为90Hz；内置显示器单屏分辨率为960×1080以上。

手柄2设置有控制虚拟现实头盔1第一视角人物的前、后、左、右、左前、右前、左后和右后的按钮，设置有根据GUI控制虚拟场景中石化设备培训组装的摇杆和按钮。

LED显示器8设置有分辨率为2560×1440以上。

三维仿真渲染加速单元6显卡设置有显存容量为4096MB，位宽为128bit，核心频率为1127/1178MHz，显存频率为7010MHz。

中央处理单元4设置有CPU主频为3.6GHz，最大睿频为4GHz。

本实用新型让用户通过佩戴虚拟现实头盔1对虚拟场景下预设石化设备的操作和拆解进行观看和学习，然后通过屏幕图形界面的提示使用手柄2对石化设备进行演练操作；同时音响设备7会发出对应的设备操作步骤提示，在演练阶段发生误操作时会发出警告声并提示受训用户改正误操作。

实施例二：

基于虚拟现实头盔1的数字海滨城市虚拟漫游装置，该装置包括虚拟现实头盔1、手柄2、计算机图形工作站3、中央处理单元4、力矩数据解析单元5、三维仿真渲染加速单元6、音响设备7、LED显示器8和电源9。其中用户佩戴虚拟现实头盔1可以实时获取用户头部的朝向和旋转角度，加速器、陀螺仪等传感器获取的数值经线缆传送至计算机图形工作站3内的力矩数据解析单元5和三维仿真渲染加速单元6，然后力矩数据解析单元5和三维仿真渲染加速单元6把双精度浮点数矩阵信息和图像数据传至中央处理单元4后变为图像信息并复制为两部分，一部分传回至虚拟现实头盔1内的5.7寸虚拟现实头盔1显示器显示出来，另一部分传送至LED显示器8显示，用来实时观察虚拟现实头盔1内的实时影像或用来测试虚拟现实头盔1，并供给虚拟培训室内其他未佩戴虚拟现实头盔1的用户观看。中央处理单元4同时发送设备培训过程中的提示音频信息和告警声，传输至虚拟培训室内的音响设备7转为声信号。电源9开关则控制、协调培训装置内各个组件的电供给和开关。

该装置工作流程图如图2所示，用户佩戴虚拟现实头盔1位于该装置前，用户的头部动作被虚拟现实头盔1追踪，其中内置的加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，可以记录用户头部的倾斜和摆动，陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，可以追踪用户头部的旋转活动并以旋转矩阵的数据形式传送至力矩数据解析单元5进行下一步运算，当用户仰望和俯视时都能实时响应。而手指动作被手柄2捕捉并发出控制场景内人物前、后、左、右、左前、右前、左后和右后移动命令，通过获取的平移矩阵与场景内人物坐标相乘计算出用户在视口内的相对位置，从而实时计算用户在场景中的位置，再把此坐标映射到虚拟场景中，用户使用手柄2发出的前后左右的行动指令都能反映到虚拟石化设备培训场景中去，虚拟现实头盔1内置屏幕为受训用户提供第一视角的演示，LED显示器8中绘制出一个虚拟人物并以第三视角进行同步无缝显示用户所看到的景象；虚拟石化设备及其操作和拆解过程的渲染采用了基于GPU的渲染加速编程，在三维仿真渲染加速单元6中进行了对设备操作环境的烘焙和对设备表面金属材质的高还原度渲染，其渲染的逼真效果搭配虚拟现实头盔1的立体投影效果满足了对培训交互性和操作过程真实性的需求。

本实用新型搭建了一种基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训平台，在把石化设备的三维模型搭建出来，并设定好设备操作和拆解的流程，再导入基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置中就可快速集成出高沉浸感和高交互性的人机交互培训场景，实现了虚拟现实头盔1和数字石化设备培训的结合。

当然，上述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定对本实用新型的实施例范围。本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术用户在本实用新型的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本实用新型的专利涵盖范围内。

Claims (6)

1.一种基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置，包括计算机图形工作站(3)、虚拟现实头盔(1)、LED显示器(8)、手柄(2)、音响设备(7)和电源(9)，其特征在于：计算机图形工作站(3)分别与虚拟现实头盔(1)、LED显示器(8)、手柄(2)和音响设备(7)相连，虚拟现实头盔(1)内置有头盔显示器、陀螺仪、加速度计和磁力计，计算机图形工作站(3)包括中央处理单元(4)、力矩数据解析单元(5)和三维仿真渲染加速单元(6)，中央处理单元(4)分别连接力矩数据解析单元(5)和三维仿真渲染加速单元(6)，力矩数据解析单元(5)分别与手柄(2)、陀螺仪、加速度计和磁力计相连；装载有数字石化设备培训平台的三维仿真渲染加速单元(6)分别与头盔显示器、LED显示器(8)和音响设备(7)相连；电源(9)分别与计算机图形工作站(3)、虚拟现实头盔(1)、LED显示器(8)、手柄(2)和音响设备(7)相连。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置，其特征在于：虚拟现实头盔(1)的视场角为110°，头盔显示器刷新率为90Hz，头盔显示器的单屏分辨率为960×1080，通过USB3.0和HDMI接口与计算机图形工作站(3)相连。

3.根据权利要求1或2所述的基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置，其特征在于：手柄(2)设置有控制虚拟现实头盔第一视角人物的前、后、左、右、左前、右前、左后和右后的按钮，设置有根据GUI控制虚拟场景中石化设备培训组装的摇杆和按钮。

4.根据权利要求3所述的基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置，其特征在于：三维仿真渲染加速单元(6)显卡设置有显存容量为4096MB，位宽为128bit，核心频率为1127/1178MHz，显存频率为7010MHz。

5.根据权利要求4所述的基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置，其特征在于：LED显示器(8)的分辨率为2560×1440。

6.根据权利要求1或4所述的基于虚拟现实头盔的数字石化设备培训装置，其特征在于：中央处理单元(4)处理器设置有CPU主频为3.6GHz，最大睿频为4GHz。