RU54233U1 - VIRTUAL ENVIRONMENT SYSTEM - Google Patents

VIRTUAL ENVIRONMENT SYSTEM Download PDF

Info

Publication number
RU54233U1
RU54233U1 RU2006101320/22U RU2006101320U RU54233U1 RU 54233 U1 RU54233 U1 RU 54233U1 RU 2006101320/22 U RU2006101320/22 U RU 2006101320/22U RU 2006101320 U RU2006101320 U RU 2006101320U RU 54233 U1 RU54233 U1 RU 54233U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
subsystem
virtual
user
tracking
model
Prior art date
Application number
RU2006101320/22U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Олегович Афанасьев
Станислав Владимирович Клименко
Андрей Владимирович Леонов
Игорь Николаевич Никитин
Лиля Дамировна Никитина
Олег Викторович Скрипачев
Евгений Алексеевич Слободюк
Василь Фанусович Уразметов
Павел Владимирович Фролов
Максим Владимирович Фурса
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СИМТЕХ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "СИМТЕХ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СИМТЕХ"
Priority to RU2006101320/22U priority Critical patent/RU54233U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU54233U1 publication Critical patent/RU54233U1/en

Links

Landscapes

  • Processing Or Creating Images (AREA)

Abstract

Система виртуального окружения содержит кластер персональных компьютеров с программным обеспечением для создания виртуальных сцен и синхронизации работы отдельных компонентов системы, базу данных с описанием виртуальных моделей и сцен, подсистему рендеринга для графического преобразования описания модели в визуальное представление на экранные плоскости, выполненную с возможностью преобразования модели в два изображения с точки зрения левого и правого глаз пользователя, проекционную подсистему с одним или несколькими экранами для визуального отображения модели. Проекционная подсистема выполнена стереоскопической и включает два проектора для левого и правого видеоканалов, причем оптическая система каждого из проекторов снабжена поляризационными фильтрами, соответственно, для левого и для правого видеоканалов. Система также содержит подсистему трекинга для локализации и слежения за положением пользователя, подсистему синтеза звуковых эффектов с акустической системой, подсистему генерации силовых и тактильных ощущений с генератором тактильных ощущений для создания иллюзии перемещения в пространстве и прикосновения к виртуальным объектам, подсистему манипуляции данными, устройство ввода и управления, консоль запуска и управления системой, подсистему моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами. При этом подсистема трекинга включает инфракрасная камеру и светоотражающие маркеры, закрепленные на поляризационных очках пользователя. Такое выполнение системы позволяет обеспечить реалистичность воспроизведения виртуальной сцены за счет создания стереоскопического изображения с высоким разрешением и реалистичности динамики виртуальных объектов.The virtual environment system contains a cluster of personal computers with software for creating virtual scenes and synchronizing the operation of individual system components, a database with a description of virtual models and scenes, a rendering subsystem for graphically transforming the model description into a visual representation on the screen plane, configured to convert the model into two images from the point of view of the left and right eyes of the user, a projection subsystem with one or more screens for visual display of the model. The projection subsystem is stereoscopic and includes two projectors for the left and right video channels, and the optical system of each of the projectors is equipped with polarizing filters, respectively, for the left and right video channels. The system also contains a tracking subsystem for localizing and tracking the user's position, a synthesis subsystem for sound effects with an acoustic system, a power and tactile sensation generation subsystem with a tactile sensation generator to create the illusion of moving in space and touching virtual objects, a data manipulation subsystem, an input device and management, launch and control console system, a subsystem for modeling user interaction with virtual objects. In this case, the tracking subsystem includes an infrared camera and reflective markers mounted on the user's polarizing glasses. This implementation of the system allows for realistic reproduction of the virtual scene by creating stereoscopic images with high resolution and realistic dynamics of virtual objects.

Description

Полезная модель относится к средствам имитационной техники и может быть использована для создания виртуального окружения с возможностью взаимодействия с объемными моделями изучаемых объектов.The utility model relates to the means of simulation technology and can be used to create a virtual environment with the ability to interact with three-dimensional models of the studied objects.

Применение систем виртуального окружения существенно обогащает представление больших массивов данных, позволяя взаимодействовать с объемными моделями изучаемых объектов и изучать их поведение и внутреннюю структуру. Виртуальное окружение обеспечивает «погружение» пользователя в искусственный мир исследуемого явления и прямое взаимодействие с данными в пространстве модели. Виртуальное окружение позволяет перейти на качественно более высокий уровень обработки данных, моделирования и проектирования экспериментов, создания сложных машин и механизмов, промышленных объектов и процессов.The use of virtual environment systems significantly enriches the presentation of large data arrays, allowing you to interact with three-dimensional models of the objects being studied and study their behavior and internal structure. The virtual environment provides the user “immersion” in the artificial world of the phenomenon under study and direct interaction with data in the model space. The virtual environment allows you to switch to a qualitatively higher level of data processing, modeling and designing experiments, creating complex machines and mechanisms, industrial facilities and processes.

Экспериментально установлено, что при погружении пользователя в виртуальную среду и инициировании стереоскопического видения сцены, которое происходит на ментальном уровне, у человека происходит более интенсивный обмен информацией между левым и правым полушариями мозга, что возбуждает интуитивное мышление и возникновение новых идей при анализе какой-либо проблемы и/или большого объема данных (особенно многомерных). При этом эффект возникновения новых идей усиливается при коллективной работе (эффект мозгового штурма).It was experimentally established that when a user immerses himself in a virtual environment and initiates a stereoscopic vision of a scene that occurs on a mental level, a person has a more intense exchange of information between the left and right hemispheres of the brain, which stimulates intuitive thinking and the emergence of new ideas when analyzing any problem and / or a large amount of data (especially multidimensional). At the same time, the effect of the emergence of new ideas is enhanced by collective work (the effect of brainstorming).

Имеется достаточно широкий круг фундаментальных проблем алгебраической топологии, теоретической механики, общей и квантовой физики, не имеющих прямых и легко представимых аналогий и несущих огромный объем информации сложной структуры, который часто трудно интерпретировать, не привлекая какие-либо визуальные образы. Технология виртуального окружения позволяет активно привлечь интуицию исследователя и его способность «понимать» изображения за счет его помещения в искусственный мир модели исследуемого явления, а также за счет обеспечения возможности интуитивно простого (прямого) манипулирования данными в пространстве модели.There is a fairly wide range of fundamental problems of algebraic topology, theoretical mechanics, general and quantum physics, which do not have direct and easily presented analogies and carry a huge amount of information of complex structure, which is often difficult to interpret without involving any visual images. The virtual environment technology allows you to actively attract the intuition of the researcher and his ability to "understand" the image by placing it in the artificial world of the model of the phenomenon being studied, and also by providing the possibility of intuitively simple (direct) manipulation of data in the model space.

Современные вычислительные системы позволяют моделировать сложные явления природы и решать задачи, недоступные прямой экспериментальной проверке. Суперкомпьютеры (наиболее мощные на текущий момент машины) и Modern computer systems make it possible to simulate complex natural phenomena and solve problems inaccessible to direct experimental verification. Supercomputers (currently the most powerful machines) and

кластерные вычислительные системы позволяют достаточно полно и точно моделировать различные экзотические эксперименты и экстремальные ситуации, предложенные исследователями. Однако, огромные объемы данных, получаемые при моделировании сложных явлений, невозможно проанализировать, не прибегая к предварительному исследованию с помощью активного взаимодействия человека с компьютером.cluster computing systems make it possible to sufficiently and accurately model various exotic experiments and extreme situations proposed by researchers. However, the huge amounts of data obtained by modeling complex phenomena cannot be analyzed without resorting to preliminary research using the active interaction of a person with a computer.

До последнего времени было предложено лишь несколько технических приемов визуализации для специальных приложений. Общие концепции, применимые для использования в технологии виртуального окружения к самым различным (в том числе и не числовым) приложениям, а также полный математический анализ существующих методов до сих пор не разработан.Until recently, only a few visualization techniques have been proposed for special applications. General concepts applicable for use in virtual environment technology to a wide variety of (including non-numerical) applications, as well as a complete mathematical analysis of existing methods, have not yet been developed.

Так, системы визуализации используются в различных тренажерах, например, в пилотажно-тренировочных комплексах для профессиональной подготовки летного состава. Известен комплекс по патенту RU 2263973 С1, включающий системы визуализации и отображения информации с соответствующими системами и вычислителями управления, органы управления пилота, связанные с вычислителем динамики полета, вычислителями автоматической системы управления, пилотажно-навигационного оборудования, связанный с ними главный процессор, выход которого связан через вычислитель информационного обеспечения с вычислителями управления системой отображения информации и системой управления визуализацией, блоки задания начальных условий и возмущений в полете, пульт управления с дисплеем в кабине пилота и экспертная система с базой данных. Данный комплекс обеспечивает, в частности, визуализацию окружающего летательный аппарат пространства в реальном времени, однако при этом формируется плоское (2D) изображение. Кроме того, данный комплекс предназначен для решения лишь одной задачи - имитации условий полета летательного аппарата.So, visualization systems are used in various simulators, for example, in flight training complexes for the training of flight personnel. The known complex according to patent RU 2263973 C1, including visualization and information display systems with corresponding control systems and computers, pilot controls associated with a flight dynamics computer, automatic computer control systems, flight and navigation equipment, a main processor associated with them, the output of which is connected through the information support computer with control computers of the information display system and the visualization control system, initial task blocks Words and disturbances in flight display controller in the cockpit and the expert system to the database. This complex provides, in particular, visualization of the space surrounding the aircraft in real time, however, a flat (2D) image is formed. In addition, this complex is designed to solve only one problem - simulating the flight conditions of an aircraft.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей и повышение реалистичности воспроизведения виртуальной сцены и динамики виртуальных объектов.The technical problem to which the utility model is directed is to expand the functionality and increase the realism of reproduction of a virtual scene and the dynamics of virtual objects.

Указанная задача решается за счет того, что система виртуального окружения, содержит кластер персональных компьютеров с программным обеспечением для создания виртуальных сцен и синхронизации работы отдельных компонентов системы, базу данных с описанием виртуальных моделей и сцен, подсистему This problem is solved due to the fact that the virtual environment system contains a cluster of personal computers with software for creating virtual scenes and synchronizing the operation of individual system components, a database with a description of virtual models and scenes, a subsystem

рендеринга для графического преобразования описания модели в визуальное представление на экранные плоскости, проекционную подсистему с одним или несколькими экранами для визуального отображения модели, подсистему трекинга для локализации и слежения за положением пользователя, подсистему синтеза звуковых эффектов с акустической системой, подсистему генерации силовых и тактильных ощущений для создания иллюзии перемещения в пространстве и прикосновения к виртуальным объектам, подсистему манипуляции данными, устройство ввода и управления, консоль запуска и управления системой, подсистему моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами, при этом подсистема рендеринга выполнена с возможностью преобразования модели в два изображения с точки зрения левого и правого глаз пользователя, стереоскопическая проекционная подсистема включает два проектора для левого и правого видеоканалов, причем оптическая система каждого из проекторов снабжена поляризационными фильтрами, соответственно, для левого и для правого видеоканалов, подсистема трекинга для локализации и слежения за положением пользователя включает инфракрасная камеру и светоотражающие маркеры, закрепленные на поляризационных очках пользователя, а подсистема генерации силовых и тактильных ощущений включает генератор тактильных ощущений.rendering for graphically transforming the description of the model into a visual representation on the screen plane, a projection subsystem with one or more screens for visual display of the model, a tracking subsystem for localizing and tracking the user's position, a synthesis subsystem for sound effects with an acoustic system, a subsystem for generating power and tactile sensations for creating the illusion of moving in space and touching virtual objects, data manipulation subsystem, input and control device control, the launch and control console of the system, the subsystem for modeling user interaction with virtual objects, while the rendering subsystem is capable of converting the model into two images from the point of view of the left and right eyes of the user, the stereoscopic projection subsystem includes two projectors for the left and right video channels, the optical system of each of the projectors is equipped with polarizing filters, respectively, for the left and right video channels, the tracking subsystem for localization and tracking of the user's position includes an infrared camera and reflective markers mounted on the user's polarized glasses, and the power and tactile sensation generation subsystem includes a tactile sensation generator.

Использование в системе кластера персональных компьютеров обеспечивает высокую вычислительную мощность системы, а в сочетании с подсистемой рендеринга, имеющей возможность преобразования модели в два изображения с точки зрения левого и правого глаз пользователя, стереоскопической проекционной подсистемой с двумя проекторами и поляризационными фильтрами, подсистемой трекинга для локализации и слежения за положением пользователя с инфракрасной камерой и светоотражающими маркерами на поляризационных очках пользователя и подсистемой генерации силовых и тактильных ощущений позволяет обеспечить реалистичность воспроизведения виртуальной сцены (стереоскопическое изображение с высоким разрешением) и реалистичность динамики виртуальных объектов (правдоподобная анимация); достаточно высокую частоту смены кадров при воспроизведения виртуальной сцены; точность воспроизведения сцены для точек ее «видения» левым и правым глазами; идентичность сцен, видимых левым и правым глазами; разделение сцен, видимых левым и правым глазами, не допускающего смешивания изображений; перекрытие поля зрения зрителя виртуальной сценой, The use of a cluster of personal computers in the system provides high computing power of the system, and in combination with a rendering subsystem that has the ability to convert the model into two images from the point of view of the user's left and right eyes, a stereoscopic projection subsystem with two projectors and polarizing filters, a tracking subsystem for localization and tracking the user's position with an infrared camera and reflective markers on the polarizing glasses of the user and subsystems th generation of power and tactile sensations enables realistic virtual scene playback (Stereoscopic image with high resolution), and the realism of the dynamics of virtual objects (believable animation); a sufficiently high frame rate when playing a virtual scene; accuracy of scene reproduction for the points of its “vision” with the left and right eyes; the identity of the scenes visible by the left and right eyes; separation of scenes visible by the left and right eyes, not allowing the mixing of images; overlapping the viewer's field of view with a virtual scene,

обеспечивающее достаточное «зашоривание» зрителю реальной сцены; достаточно яркое и контрастное изображение сцены; пересчет сцены при перемещении зрителя в виртуальном пространстве; точность и быстродействие создания «тактильных ощущений».providing sufficient “zaporivanie" the viewer of the real scene; sufficiently bright and contrasting image of the scene; recounting the scene when moving the viewer in virtual space; accuracy and speed of creating "tactile sensations."

Система виртуального окружения поясняется подробным ее описанием и прилагаемыми чертежами.The virtual environment system is illustrated by its detailed description and the accompanying drawings.

На фиг.1 показан общий схематический вид системы в аксонометрической проекции;Figure 1 shows a General schematic view of a system in axonometric projection;

на фиг.2 показан общий схематический вид другого исполнения системы в аксонометрической проекции;figure 2 shows a General schematic view of another design of the system in axonometric projection;

на фиг.3 изображена функциональная блок-схема системы.figure 3 shows a functional block diagram of a system.

Система виртуального окружения (далее - СВО) на кластере персональных компьютеров включает следующие функциональные элементы:The virtual environment system (hereinafter - NWO) on a cluster of personal computers includes the following functional elements:

- программное обеспечение с открытым исходным кодом Аванго для создания виртуальных сцен и синхронизации работы отдельных компонент системы (далее - Аванго),- open source software Avango to create virtual scenes and synchronize the operation of individual components of the system (hereinafter - Avango),

- базу данных, содержащую описание виртуальных моделей и сцен (далее - БД),- a database containing a description of virtual models and scenes (hereinafter - the database),

- подсистему рендеринга для графического преобразования описания модели в визуальное представление на экранные плоскости с точки зрения левого и правого глаз пользователя (далее - ПР),- a rendering subsystem for graphically transforming the model description into a visual representation on the screen plane from the point of view of the user's left and right eyes (hereinafter - PR),

- стереоскопическую проекционную подсистему с одним или несколькими экранами для визуального отображения модели (далее - СПП),- a stereoscopic projection subsystem with one or more screens for visual display of the model (hereinafter - SPP),

- подсистему трекинга для локализации и слежения за положением пользователя (далее - ПТ),- tracking subsystem for localization and tracking the user's position (hereinafter - PT),

- подсистему синтеза звуковых эффектов (далее - ПЗЭ),- a subsystem for the synthesis of sound effects (hereinafter - the PZE),

- подсистему генерации силовых и тактильных ощущений, создающую иллюзию перемещения в пространстве и прикосновения к виртуальным объектам (далее - ПТО),- a subsystem for generating power and tactile sensations, creating the illusion of moving in space and touching virtual objects (hereinafter referred to as VET),

- подсистему манипуляции данными, устройства ввода и управления (далее - ПМД),- data manipulation subsystem, input and control devices (hereinafter - PMD),

- подсистему моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами, подменяющей пользователю его взаимодействие с объектами и персонажами в реальном мире (далее - ПМВ),- a subsystem for modeling user interaction with virtual objects, replacing the user with his interaction with objects and characters in the real world (hereinafter - PMV),

- консоль запуска и управления системой (далее - КЗУ).- the console for launching and managing the system (hereinafter - KZU).

На фиг.1 и 2 обозначены: основной графический вычислитель 1; вспомогательный вычислитель 2 для синтеза звуковых эффектов; экран 3 из материала, сохраняющего направление вектора поляризации при отражении или пропускании света; проекторы 4 и 5, снабженные фильтрами линейной поляризации света; динамики 6 и 7 аудиосистемы; устройства 8 ввода и управления. Различия между системами, изображенными на фиг.1 и фиг.2, заключаются лишь в использовании экрана либо на просвет (фиг.1), либо на отражение (фиг.2).In figure 1 and 2 are indicated: the main graphic computer 1; auxiliary calculator 2 for the synthesis of sound effects; a screen 3 of material preserving the direction of the polarization vector upon reflection or transmission of light; projectors 4 and 5, equipped with filters of linear polarization of light; speakers 6 and 7 of the audio system; device 8 input and control. The differences between the systems depicted in figure 1 and figure 2, consist only in the use of the screen either in the lumen (figure 1) or in reflection (figure 2).

В процессе запуска системная консоль инициализирует ядро Аванго, которое развертывает остальные компоненты системы. Аванго - это разработанная во Фраунгоферовском институте медиакоммуникаций среда программирования, предназначенная для формирования приложений виртуального окружения. Аванго использует язык программирования C++ для определения двух категорий объектов - узлы и датчики. Узлы составляют объектно-ориентированный граф сцены, который осуществляет представление и отображение сложной геометрии. Датчики обеспечивают связь с реальным миром и используются, чтобы вводить данные с внешних устройств в приложение. Все объекты Аванго - полевые контейнеры, представляющие информацию о состоянии объекта как совокупность полей. Объекты Аванго поддерживают универсальный потоковый интерфейс, который позволяет записывать в поток объекты и информацию об их состоянии, и впоследствии реконструировать эти данные из потока. Аванго определяет связи между полями, формируя граф потоков данных, который является концептуально ортогональным к графу сцены и служит для ввода в сцену реальных данных, необходимых для моделирования интерактивного поведения. В дополнение к C++ Аванго поддерживает интерпретируемый язык Схема (Scheme). Схема - универсальный язык программирования, происходящий от Алгола и Лиспа. Это язык высокого уровня, который способен оперировать со структурными данными, такими как строки, списки и векторы. Все объекты Аванго могут быть описаны на Схеме. Аванго использует графическую систему OpenGL Performer, которая позволяет достичь максимально возможного ускорения графики и также обладает рядом During the startup process, the system console initializes the Avango kernel, which deploys the remaining components of the system. Avango is a programming environment developed at the Fraunhofer Institute for Media Communications that is designed to form virtual environment applications. Avango uses the C ++ programming language to define two categories of objects - nodes and sensors. Nodes make up an object-oriented scene graph that represents and displays complex geometry. Sensors provide communication with the real world and are used to enter data from external devices into the application. All Avango objects are field containers that represent information about the state of the object as a set of fields. Avango objects support a universal stream interface, which allows you to write objects and information about their state to the stream, and subsequently reconstruct this data from the stream. Avanto defines the relationships between the fields, forming a graph of data flows, which is conceptually orthogonal to the scene graph and serves to enter real data into the scene, necessary for modeling interactive behavior. In addition to C ++, Avango supports the interpreted language Scheme. Scheme is a universal programming language derived from Algol and Lisp. It is a high-level language that can handle structural data such as strings, lists, and vectors. All Avango objects can be described on the Scheme. Avango uses the OpenGL Performer graphics system, which allows you to achieve the highest possible graphics acceleration and also has a number of

специальных свойств, необходимых при разработке приложений виртуального окружения. Расширенные задачи, такие как стирание невидимых граней, переключение степени детализации и связь с аппаратным обеспечением, целиком выполняются системой OpenGL Performer.special properties required when developing virtual environment applications. Advanced tasks, such as erasing invisible edges, switching granularity, and communicating with hardware, are entirely performed by the OpenGL Performer system.

Программное обеспечение всей системы в целом строится на базе ОС Linux средствами инструментальной системы виртуального окружения Аванго и языка C++.The software of the whole system as a whole is built on the basis of the Linux OS using the tools of the Avango virtual environment tool system and C ++ language.

В процессе работы системная консоль остается открытой, обеспечивая пользователя средствами мониторинга и полного контроля над системой. После запуска Аванго использует БД для создания виртуальной сцены и стартует основные процессы: ПТ и ПР, а также вспомогательные процессы: ПЗЭ, ПТО и ПМД. При использовании кластерной архитектуры каждый процесс исполняется на своем элементе кластера и контролируется по сети.In the process, the system console remains open, providing the user with monitoring tools and full control over the system. After launching, Avango uses the database to create a virtual scene and starts the main processes: PT and PR, as well as auxiliary processes: PZE, PTO and PMD. When using the cluster architecture, each process runs on its own cluster element and is controlled over the network.

Процесс ПТ определяет положение головы (глаз и ушей) пользователя, а также положение и ориентацию устройств взаимодействия. Результат передается в ядро Аванго. Процесс ПР производит рендеринг виртуальной сцены в соответствии с заданным положением глаз пользователя и передает результат в подсистему СПП для отображения на экран. По командам из ядра процесс ПЗЭ производит синтез и воспроизведение звуковых эффектов в соответствии с положением ушей пользователя.The PT process determines the position of the user's head (eyes and ears), as well as the position and orientation of the interaction devices. The result is transferred to the core of Avanto. The PR process renders the virtual scene in accordance with the specified position of the user's eyes and transfers the result to the NGN subsystem for display on the screen. According to instructions from the core, the GES process synthesizes and reproduces sound effects in accordance with the position of the user's ears.

Процесс ПТО моделирует силовые воздействия и передает результат на генератор тактильных ощущений. Процесс ПМД отслеживает дискретные события, такие как нажатие клавиш на устройствах взаимодействия, и передает результат в ядро Аванго. На основе сигналов с ПТ и ПМД блок ПМВ моделирует взаимодействие пользователя с виртуальными объектами, в частности, определяет скорость и способ перемещения в виртуальной сцене, позволяет манипулировать виртуальными предметами и т.д.The VET process simulates force effects and transmits the result to a tactile sensation generator. The PMD process monitors discrete events, such as keystrokes on interaction devices, and transfers the result to the Avango core. Based on the signals from the PT and PMD, the PMV block models the user’s interaction with virtual objects, in particular, determines the speed and method of movement in the virtual scene, allows you to manipulate virtual objects, etc.

Сущность полезной модели поясняется на блок-схеме (Рис.3), на которой изображена функциональная схема системы виртуального окружения на кластере персональных компьютеров. Ниже приведено содержание отдельных блоков системы:The essence of the utility model is illustrated in the block diagram (Fig. 3), which shows the functional diagram of the virtual environment system on a cluster of personal computers. The following is the content of the individual blocks of the system:

9. Консоль запуска и управления системой (КЗУ).9. The console launch and control the system (KZU).

10. Аванго.10. Avanto.

11. Ядро Аванго.11. The core of the Avanto.

12. C++ объектный компонент Аванго.12. C ++ object component of Avanto.

13. SCM скриптовый компонент Аванго.13. SCM script component Avango.

14. Графический пользовательский интерфейс Аванго.14. Avanto graphical user interface.

15. База данных, содержащая описание виртуальных моделей и сцен (БД).15. A database containing a description of virtual models and scenes (DB).

16. Иерархическое представление виртуальных моделей в виде графа сцены.16. Hierarchical representation of virtual models in the form of a scene graph.

17. Файлы с описанием геометрии виртуальных моделей, хранящиеся на внешнем носителе (жесткий диск, DVD, flash-memory и т.д.).17. Files with a description of the geometry of virtual models stored on an external medium (hard disk, DVD, flash-memory, etc.).

18. Подсистема рендеринга для графического преобразования описания модели в визуальное представление на экранные плоскости с точки зрения левого и правого глаз пользователя (ПР).18. The rendering subsystem for the graphic transformation of the model description into a visual representation on the screen plane from the point of view of the user's left and right eyes (PR).

19. Графическая библиотека OpenGL Performer.19. Graphic library OpenGL Performer.

20. Графическая библиотека OpenGL.20. Graphic library OpenGL.

21. Графическая карта с 3D ускорением, имеющая 2 видеовыхода.21. A graphics card with 3D acceleration, having 2 video outputs.

22. Стереоскопическая проекционная подсистема с одним или несколькими экранами для визуального отображения модели (СПП).22. Stereoscopic projection subsystem with one or more screens for visual display of the model (SPP).

23. Проектор левого видеоканала.23. Projector of the left video channel.

24. Проектор правого видеоканала.24. The projector is the right video channel.

25. Поляризационный фильтр левого видеоканала.25. Polarizing filter of the left video channel.

26. Поляризационный фильтр правого видеоканала.26. Polarizing filter of the right video channel.

27. Подсистема трекинга для локализации и слежения за положением пользователя (ПТ).27. Tracking subsystem for localization and tracking the user's position (PT).

28. Датчик Аванго, интерфейс к драйверу устройства слежения.28. Avanto sensor, interface to the driver of the tracking device.

29. Драйвер устройства слежения.29. Tracking device driver.

30. Устройство слежения (инфракрасная камера).30. Tracking device (infrared camera).

31. Физические датчики (светоотражающие маркеры).31. Physical sensors (reflective markers).

32. Подсистема синтеза звуковых эффектов (ПЗЭ).32. The subsystem for the synthesis of sound effects (PZE).

33. Датчик Аванго, интерфейс к синтезатору звуковых эффектов.33. Avanto sensor, an interface to a sound effects synthesizer.

34. Синтезатор звуковых эффектов jMax.34. Synthesizer sound effects jMax.

35. Звуковая карта с двумя аудио-каналами.35. Sound card with two audio channels.

36. Динамик левого аудио-канала.36. The speaker of the left audio channel.

37. Динамик правого аудио-канала.37. Speaker of the right audio channel.

38. Подсистема генерации силовых и тактильных ощущений, создающая иллюзию перемещения в пространстве и прикосновения к виртуальным объектам (ПТО).38. The subsystem for generating power and tactile sensations, creating the illusion of moving in space and touching virtual objects (VET).

39. Датчик Аванго, интерфейс к драйверу генератора тактильных ощущений.39. Avanto sensor, interface to the tactile sensation driver.

40. Драйвер генератора тактильных ощущений.40. Tactile sensation driver.

41. Генератор тактильных ощущений.41. The generator of tactile sensations.

42. Подсистема манипуляции данными, устройства ввода и управления (ПМД).42. Subsystem of data manipulation, input and control devices (PMD).

43. Датчик Аванго, интерфейс к драйверу устройства взаимодействия.43. Avanto sensor, interface to the driver of the interaction device.

44. Драйвер устройства взаимодействия.44. Interaction device driver.

45. Устройство взаимодействия (джойстик).45. Interaction device (joystick).

46. Физические датчики (кнопки джойстика).46. Physical sensors (joystick buttons).

47. Подсистема моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами, (ПМВ).47. The subsystem for modeling user interaction with virtual objects, (PMV).

48. Модель навигации в виртуальном пространстве.48. The model of navigation in the virtual space.

49. Виртуальная точка зрения.49. The virtual point of view.

50. Модель взаимодействия с виртуальными объектами.50. A model of interaction with virtual objects.

51. Виртуальные манипуляторы (зеленый луч, виртуальная рука и т.д.). 51. Virtual manipulators (green beam, virtual hand, etc.).

Система работает следующим образом. После включения всех аппаратных компонентов (компьютеров, на которых исполняются процессы 9, 10, 18, 27, 32, 38, 42, проекторов 23, 24, звуковой системы 36, 37, устройств 30, 45 слежения и взаимодействия, генератора 41 тактильных ощущений) и запуска системы с консоли 9 управления, инициализируется ядро 11 Аванго, которое разворачивает три основных программных компонента: C++ объектный компонент 12 Аванго, SCM скриптовый компонент 13 Аванго и графический пользовательский интерфейс 14 Аванго. Эти компоненты в процессе работы системы тесно взаимодействуют друг с другом и с ядром 11.The system operates as follows. After turning on all hardware components (computers running processes 9, 10, 18, 27, 32, 38, 42, projectors 23, 24, sound system 36, 37, devices 30, 45 for tracking and interaction, generator 41 tactile sensations) and starting the system from the control console 9, the Avango kernel 11 is initialized, which deploys three main software components: C ++ object component 12 Avango, SCM script component 13 Avango and graphical user interface 14 Avango. These components during the operation of the system closely interact with each other and with the core 11.

Консоль 9 управления обеспечивает доступ к ядру системы через скриптовый интерфейс 13 с помощью команд на языке Схема, а также через графический пользовательский интерфейс 14. Далее геометрическое представление виртуальных моделей загружается из файлов 17 в оперативную память, формируя в ней древовидную структуру (граф сцены 16), необходимую для оптимальной организации процесса рендеринга 18. Рендеринг производится графической The control console 9 provides access to the core of the system through a script interface 13 using commands in the Scheme language, as well as through a graphical user interface 14. Next, the geometric representation of the virtual models is loaded from files 17 into RAM, forming a tree structure in it (scene graph 16) necessary for the optimal organization of the rendering process 18. Rendering is done graphically

библиотекой 19 OpenGL Performer, которая оптимизирует графические процессы с использованием иерархической организации данных, алгоритмов стирания невидимых линий и поверхностей. Результат передается графической библиотеке 20 OpenGL, которая отрисовывает примитивы (треугольники, линии, точки) с учетом графических мод (освещения, текстур, прозрачности), задействуя реализованные в графической карте 21 техники нижнего уровня (Z-буферизация, маскировка, шейдинг).OpenGL Performer library 19, which optimizes graphic processes using hierarchical data organization, algorithms for erasing invisible lines and surfaces. The result is transmitted to the OpenGL graphics library 20, which renders primitives (triangles, lines, dots) taking into account graphic modes (lighting, textures, transparency), using 21 lower-level techniques implemented in the graphics card (Z-buffering, masking, shading).

Рендеринг производится для точек зрения левого и правого глаза, полученные изображения через два раздельных видеоканала передаются в стерео-проекционную систему 22. Система состоит из двух одинаковых проекторов 23, 24, снабженных дополнительными друг другу поляризационными фильтрами 25, 26. Стереоскопическое изображение наблюдается пользователем на специальном экране, сохраняющем вектор поляризации, с помощью поляризационных очков, фильтры которых ориентированы параллельно фильтрам проекторов.Rendering is done for the points of view of the left and right eyes, the received images are transmitted through two separate video channels to a stereo projection system 22. The system consists of two identical projectors 23, 24 equipped with polarizing filters 25, 26 that are complementary to each other. A stereoscopic image is observed by the user on a special a screen that preserves the polarization vector using polarizing glasses, the filters of which are oriented parallel to the filters of the projectors.

Для определения положений точек зрения глаз пользователя, необходимых при рендеринге 18, служит подсистема трекинга 27. Данная подсистема измеряет координаты светоотражающих маркеров 31, прикрепленных к поляроидным очкам, а также к устройствам взаимодействия 45, для чего их положение регистрируется инфракрасной камерой 30 и пересчитывается в координаты специальной программой - драйвером устройства слежения 29, исполняемой в фоновом режиме. Полученные данные передаются через интерфейс 28 ядру 11 Аванго для дальнейшего использования в процессе рендеринга 18.To determine the position of the points of view of the user's eyes required during rendering 18, the tracking subsystem 27 is used. This subsystem measures the coordinates of reflective markers 31 attached to polaroid glasses, as well as to interaction devices 45, for which their position is recorded by infrared camera 30 and converted to coordinates a special program - the driver of the tracking device 29, executed in the background. The resulting data is transmitted through the interface 28 to the Avango core 11 for further use in the rendering process 18.

По командам ядра 11 интерфейс 33 запускает синтез звуковых эффектов 34, воспроизводимых звуковой картой 35 с помощью звуковой стерео-системы 36, 37. Также команды ядра 11 через интерфейс 39 передаются драйверу 40, который моделирует силовые воздействия, воспроизводимые генератором тактильных ощущений 41. При нажатии кнопок 46 на устройстве взаимодействия 45 сигнал передается через драйвер 44 и интерфейс 43 в ядро 11 Аванго. Эти данные используются блоком 47 моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами, в частности, блок 48 определяет скорость и способ перемещения виртуальной точки зрения 49, блок 50 задает взаимодействие с виртуальными объектами посредством манипуляторов 51. Результаты моделирования передаются процессу рендеринга 18.According to the instructions of the kernel 11, the interface 33 starts the synthesis of sound effects 34 reproduced by the sound card 35 using the stereo sound system 36, 37. Also, the commands of the kernel 11 are transmitted through the interface 39 to the driver 40, which simulates the force effects reproduced by the tactile sensation generator 41. When pressed Buttons 46 on the interaction device 45, the signal is transmitted through the driver 44 and interface 43 to the Avango core 11. This data is used by block 47 for modeling user interaction with virtual objects, in particular, block 48 determines the speed and method of moving the virtual point of view 49, block 50 determines the interaction with virtual objects by means of manipulators 51. The simulation results are transmitted to rendering process 18.

Данная система может быть реализована с использованием, например, следующей программно аппаратной конфигурации.This system can be implemented using, for example, the following hardware-software configuration.

1. Вычислительная система - кластер из 4 персональных компьютеров. Конфигурация персонального компьютера (3 шт.):1. Computing system - a cluster of 4 personal computers. Personal computer configuration (3 pcs.):

- материнская плата класса ASUS P5AD2;- motherboard class ASUS P5AD2;

- процессор класса Pentium IV 3.6 Ghz;- processor class Pentium IV 3.6 Ghz;

- оперативная память 2 Gb Dual channel;- RAM 2 Gb Dual channel;

- два винчестера объемом не менее 120 Gb;- two hard drives with a volume of at least 120 Gb;

- корпус с хорошей вентиляцией. - housing with good ventilation.

Конфигурация терминального персонального компьютера (1 шт):The configuration of the terminal personal computer (1 pc):

- материнская плата класса ASUS P5AD2 Premium;- motherboard class ASUS P5AD2 Premium;

- процессор класса Pentium IV 3.6 Ghz;- processor class Pentium IV 3.6 Ghz;

- видеокарта PNY PCI-E на чипе Nvidia Quadro FX1300 256 Mb;- video card PNY PCI-E on a chip Nvidia Quadro FX1300 256 Mb;

- оперативная память 2 Gb Dual channel;- RAM 2 Gb Dual channel;

- два винчестера объемом не менее 120 Gb;- two hard drives with a volume of at least 120 Gb;

- корпус с хорошей вентиляцией;- housing with good ventilation;

- монитор LCD 15-17'', CD-ROM, клавиатура, «мышь» - стандартные. - LCD monitor 15-17 '', CD-ROM, keyboard, mouse - standard.

КоммутаторSwitch

- 4-портовый коммутатор Gigabit Ethernet с быстродействием шины не менее 4 Гбит/с.- 4-port Gigabit Ethernet switch with at least 4 Gb / s bus performance.

2. Подсистема трекинга2. Tracking subsystem

Система трекинга включает в себя набор инфракрасных излучателей, видеокамер и отражающих меток на объектах слежения. Отражающие метки крепятся на стерео-очках и устройствах ввода и управления. Излучатели и видеокамеры крепятся в пространстве около экрана, так чтобы излучение не попадало в камеры напрямую. После обработки изображений от отражателей вычисляются их координаты в физическом пространстве и при необходимости переводятся в координаты виртуального пространства. Минимальное количество видеокамер, необходимое для восстановления координат слежения, равно двум, но для надежности обычно используют большее количество камер. Система не требует синхронизирующего сигнала. Вычисленные координаты пользователя используются графической подсистемой для представления сцены с точки зрения пользователя.The tracking system includes a set of infrared emitters, video cameras and reflective marks on tracking objects. Reflective tags are mounted on stereo glasses and input and control devices. Emitters and video cameras are mounted in the space near the screen, so that radiation does not directly enter the cameras. After processing the images from the reflectors, their coordinates in the physical space are calculated and, if necessary, translated into the coordinates of the virtual space. The minimum number of cameras needed to restore tracking coordinates is two, but for reliability, more cameras are usually used. The system does not require a clock signal. The calculated user coordinates are used by the graphics subsystem to represent the scene from the user's point of view.

Предлагаемая система локализации и слежения обеспечивает точность локализации не хуже 5 мм в пространстве с частотой не менее 100 герц.The proposed localization and tracking system provides localization accuracy of at least 5 mm in space with a frequency of at least 100 hertz.

3. Стереоскопическая проекционная подсистема3. Stereoscopic projection subsystem

- два проектора класса Panasonic PT-L735E (светимость не менее 3000 люмен ANSI).- Two Panasonic PT-L735E class projectors (luminosity of at least 3000 ANSI lumens).

- юстировочная платформа с тремя угловыми степенями свободы,- an adjustment platform with three angular degrees of freedom,

- экран типа Silver Screen с системой гладкого (без морщин) натяжения ткани, сохраняющий вектор поляризации отраженного света.- a screen of the Silver Screen type with a system of smooth (without wrinkles) tissue tension, which preserves the polarization vector of reflected light.

4. Программная подсистема4. Software subsystem

Программным инструментарием для создания распределенных интерактивных VE приложений является пакет Аванго. Аванго - разработанная во Фраунгоферовском институте медиакоммуникаций и адаптированная для персональных компьютеров среда программирования -предназначена для формирования распределенных, интерактивных приложений в виртуальном окружении.The software toolkit for creating distributed interactive VE applications is the Avango package. Avango, a programming environment developed at the Fraunhofer Institute for Media Communications and adapted for personal computers, is designed to create distributed, interactive applications in a virtual environment.

Использование общедоступных высокопроизводительных персональных компьютеров, элементов виртуального окружения, свободно-распространяемого программного обеспечения, а также включение в систему разработанных программных модулей позволило создать программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий решение задач, ранее доступных лишь сложным и дорогим комплексам.The use of generally available high-performance personal computers, elements of a virtual environment, free software, as well as the inclusion of developed software modules in the system made it possible to create a hardware-software complex that provides solutions to problems previously available only to complex and expensive complexes.

Claims (1)

Система виртуального окружения, содержащая кластер персональных компьютеров с программным обеспечением для создания виртуальных сцен и синхронизации работы отдельных компонентов системы, базу данных с описанием виртуальных моделей и сцен, подсистему рендеринга для графического преобразования описания модели в визуальное представление на экранные плоскости, проекционную подсистему с одним или несколькими экранами для визуального отображения модели, подсистему трекинга для локализации и слежения за положением пользователя, подсистему синтеза звуковых эффектов с акустической системой, подсистему генерации силовых и тактильных ощущений для создания иллюзии перемещения в пространстве и прикосновения к виртуальным объектам, подсистему манипуляции данными, устройство ввода и управления, консоль запуска и управления системой, подсистему моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами, характеризующаяся тем, что подсистема рендеринга выполнена с возможностью преобразования модели в два изображения с точки зрения левого и правого глаз пользователя, проекционная подсистема выполнена стереоскопической и включает два проектора для левого и правого видеоканалов, причем оптическая система каждого из проекторов снабжена поляризационными фильтрами, соответственно, для левого и для правого видеоканалов, при этом подсистема трекинга для локализации и слежения за положением пользователя включает инфракрасную камеру и светоотражающие маркеры, закрепленные на поляризационных очках пользователя, а подсистема генерации силовых и тактильных ощущений включает генератор тактильных ощущений.
Figure 00000001
A virtual environment system containing a cluster of personal computers with software for creating virtual scenes and synchronizing the operation of individual system components, a database with a description of virtual models and scenes, a rendering subsystem for graphically transforming a model description into a visual representation on screen planes, a projection subsystem with one or multiple screens for visual display of the model, tracking subsystem for localization and tracking the user's position, subscription him synthesis of sound effects with an acoustic system, a subsystem for generating power and tactile sensations to create the illusion of moving in space and touching virtual objects, a data manipulation subsystem, an input and control device, a launch and control console for the system, a subsystem for modeling user interaction with virtual objects, characterized the fact that the rendering subsystem is capable of converting the model into two images from the point of view of the left and right eyes of the user While fading, the projection subsystem is stereoscopic and includes two projectors for the left and right video channels, the optical system of each of the projectors equipped with polarizing filters, respectively, for the left and right video channels, while the tracking subsystem for localization and tracking the user's position includes an infrared camera and reflective markers mounted on the polarizing glasses of the user, and the subsystem for generating power and tactile sensations includes a tactile sensing generator puppies.
Figure 00000001
RU2006101320/22U 2006-01-17 2006-01-17 VIRTUAL ENVIRONMENT SYSTEM RU54233U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006101320/22U RU54233U1 (en) 2006-01-17 2006-01-17 VIRTUAL ENVIRONMENT SYSTEM

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006101320/22U RU54233U1 (en) 2006-01-17 2006-01-17 VIRTUAL ENVIRONMENT SYSTEM

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU54233U1 true RU54233U1 (en) 2006-06-10

Family

ID=36713460

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006101320/22U RU54233U1 (en) 2006-01-17 2006-01-17 VIRTUAL ENVIRONMENT SYSTEM

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU54233U1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2555228C2 (en) * 2009-03-20 2015-07-10 МАЙКРОСОФТ ТЕКНОЛОДЖИ ЛАЙСЕНСИНГ, ЭлЭлСи Virtual object manipulation
RU2651239C2 (en) * 2012-10-31 2018-04-18 Зе Боинг Компани Automated calibration of reference frame of augmented reality
RU2693322C2 (en) * 2014-05-21 2019-07-02 ЮНИВЕРСАЛ СИТИ СТЬЮДИОС ЭлЭлСи Optical tracking system for automation of entertainment park elements

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2555228C2 (en) * 2009-03-20 2015-07-10 МАЙКРОСОФТ ТЕКНОЛОДЖИ ЛАЙСЕНСИНГ, ЭлЭлСи Virtual object manipulation
US9256282B2 (en) 2009-03-20 2016-02-09 Microsoft Technology Licensing, Llc Virtual object manipulation
RU2651239C2 (en) * 2012-10-31 2018-04-18 Зе Боинг Компани Automated calibration of reference frame of augmented reality
RU2651239C9 (en) * 2012-10-31 2018-08-22 Зе Боинг Компани Automated calibration of reference frame of augmented reality
RU2693322C2 (en) * 2014-05-21 2019-07-02 ЮНИВЕРСАЛ СИТИ СТЬЮДИОС ЭлЭлСи Optical tracking system for automation of entertainment park elements

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11043031B2 (en) Content display property management
Vince Virtual reality systems
Vince Introduction to virtual reality
US11093100B2 (en) Virtual reality device with varying interactive modes for document viewing and editing
EP3141985A1 (en) A gazed virtual object identification module, a system for implementing gaze translucency, and a related method
RU54233U1 (en) VIRTUAL ENVIRONMENT SYSTEM
Soares et al. Designing a highly immersive interactive environment: The virtual mine
Onyesolu et al. A survey of some virtual reality tools and resources
Nesamalar et al. An introduction to virtual reality techniques and its applications
Goebel et al. Today's VR
Mattová et al. Cluster application in a virtual CAVE computing environment
Fabri et al. Virtual and augmented reality
Li et al. Design of Teaching System of Industrial Robots Using Mixed Reality Technology.
CN112286355B (en) Interactive method and system for immersive content
Kunz A virtual environment for satellite modeling and orbital analysis in a distributed interactive simulation
Denisov et al. Perspectives and development of mixed reality technologies
Moran Improving big data visual analytics with interactive virtual reality
Yan et al. “Dawn of South Lake”——Design and Implementation of Immersive Interactive System Based on Virtual Reality Technology
Zeng et al. CAVE Based Visual System Design and Implementation in Marine Engine Room Simulation
Peinecke et al. Integrating legacy ESVS displays in the Unity game engine
Gupta et al. A survey of the virtual environments-based assembly training applications
Westerlund Mixed Reality Visualization of 3D-CAD Assemblies for Rapid Prototyping: a description of the current state of Mixed Reality visualization
Răzvan-Daniel et al. 3D Printables for Extended Reality
Lanzagorta et al. Using Virtual Reality to Visualize Scientific, Engineering, and Medical Data
Hu et al. Construction of virtual interactive assembly system

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20100118