專(zhuān)利名稱(chēng)：加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)及應(yīng)用的制作方法
加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用現(xiàn)代通信與計(jì)算機(jī)技術(shù)的基于硬件交互的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)油品需求的不斷增加，加油站的數(shù)量及規(guī)模也以迅猛的速度擴(kuò)充，目前，加油站總數(shù)達(dá)10萬(wàn)座之多。由于加油站地理位置分散，儲(chǔ)存的易燃易爆物質(zhì)數(shù)量大，事故潛在風(fēng)險(xiǎn)高，后果危害程度嚴(yán)重，如何提升加油站安全操作效率和應(yīng)急演練能力，預(yù)防和控制事故的發(fā)生，已成為一個(gè)日益突出的問(wèn)題?，F(xiàn)代信息化技術(shù)在加油站的日常管理之中得到了廣泛的應(yīng)用，DCS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、巡線系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、油品監(jiān)控等信息系統(tǒng)為加油站日常生產(chǎn)與安全管理帶來(lái)了提升，但因習(xí)慣性違章造成的事故時(shí)有發(fā)生，而且，企業(yè)在應(yīng)急處置過(guò)程中往往重應(yīng)急程序，輕實(shí)操能力訓(xùn)練，導(dǎo)致員工在實(shí)戰(zhàn)中曝露出許多操作問(wèn)題。
虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality簡(jiǎn)稱(chēng)VR)技術(shù)利用先進(jìn)的硬件技術(shù)及軟件工具,設(shè)計(jì)出合理的交互手段，使用戶能交互式地觀察和操作系統(tǒng)生成的虛擬環(huán)境，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)。虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)綜合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等方面為受訓(xùn)者生成一個(gè)極為逼真的虛擬場(chǎng)景，模擬生產(chǎn)過(guò)程的各種可能情況，使受訓(xùn)者最大限度地貼近實(shí)際操作和實(shí)戰(zhàn)演練，提高標(biāo)準(zhǔn)化操作能力及處理各種事故的能力。
目前虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)在軍事、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，但在石化領(lǐng)域特別是針對(duì)加油站的標(biāo)準(zhǔn)化操作及事故應(yīng)急方面的培訓(xùn)還比較少，已有的虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)大多數(shù)是基于桌面或者采用投影機(jī)將虛擬場(chǎng)景投影在屏幕上的方式，交互設(shè)備主要采用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)，通過(guò)預(yù)先定義的運(yùn)動(dòng)規(guī)則實(shí)現(xiàn)操作，這種操作顯然與真實(shí)操作有很大差別，培訓(xùn)質(zhì)量不高、效果不理想；另外，目前虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)針對(duì)加油站火災(zāi)及爆炸等事故的應(yīng)急處理培訓(xùn)幾乎沒(méi)有，受訓(xùn)人員對(duì)消防設(shè)備的使用、應(yīng)急救援路線、協(xié)同演練等內(nèi)容沒(méi)有在虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足和加油站的實(shí)際需要，提供一種基于硬件交互的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，利用三維驅(qū)動(dòng)引擎實(shí)現(xiàn)對(duì)加油站三維場(chǎng)景的組織、管理和實(shí)時(shí)渲染，為參訓(xùn)者提供一個(gè)逼真的三維數(shù)字化環(huán)境，滿足加油站日常加油、 卸油及典型事故處理的真實(shí)場(chǎng)景；利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中對(duì)火焰、爆炸、煙氣、水流等特效的仿真模擬，借助計(jì)算機(jī)模擬方法，建立反映事故(泄漏、火災(zāi)、爆炸等)本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，并將計(jì)算的結(jié)果以三維可視化的方式顯示出來(lái)，從而構(gòu)建加油站泄漏、火災(zāi)和爆炸等事故的虛擬場(chǎng)景，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)算法模擬事故的發(fā)展過(guò)程機(jī)理與動(dòng)態(tài)行為；通過(guò)研究虛擬手的運(yùn)動(dòng)模型及交互機(jī)制實(shí)現(xiàn)，利用數(shù)據(jù)手套及位置追蹤器與虛擬加油站中設(shè)備進(jìn)行交互操作； 通過(guò)讀取加油站生產(chǎn)中的實(shí)際數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)基于瀏覽器/服務(wù)器的分布式多用戶協(xié)同操作與演練功能，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶同時(shí)參與培訓(xùn)練習(xí)，允許不同職位人員之間瞬時(shí)完成協(xié)調(diào)，并可以使培訓(xùn)達(dá)到操作、預(yù)案及策略水平。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其包括
三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊、場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊、頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊、 事故三維渲染模塊和考試評(píng)估模塊；
所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊用于接收并處理加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的頭盔顯示器用傳感器和數(shù)據(jù)手套用傳感器傳遞給所述虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的參訓(xùn)者動(dòng)作信號(hào)，采集數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器的數(shù)據(jù)，控制虛擬場(chǎng)景中角色做出對(duì)應(yīng)動(dòng)作；
所述事故三維渲染模塊實(shí)現(xiàn)加油站泄漏、火災(zāi)和爆炸等事故的虛擬場(chǎng)景，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)算法模擬事故的發(fā)展過(guò)程機(jī)理與動(dòng)態(tài)行為；
所述數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的數(shù)據(jù)手套和位置追蹤器的運(yùn)行；
所述頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的頭盔顯示器的運(yùn)行；
所述場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用于為虛擬培訓(xùn)提供數(shù)字化場(chǎng)景；
所述考核評(píng)估模塊包括電子試卷子模塊、自動(dòng)評(píng)分子模塊及情景考核子模塊。
其中，所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊采用層次化設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)，由渲染層、模型層和虛擬環(huán)境模擬層組成。
其中，渲染層采用OpenGL作為渲染系統(tǒng)的底層圖形庫(kù)，提供對(duì)三維幾何模型的生成和渲染工作，進(jìn)一步包括三維幾何模型繪制子模塊、光線處理子模塊和紋理處理子模塊；
所述三維幾何模型繪制子模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)三維幾何模型數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、管理與繪制；
所述光線處理子模塊主要負(fù)責(zé)渲染過(guò)程中光照效果模擬；
所述紋理處理子模塊負(fù)責(zé)管理和調(diào)度虛擬場(chǎng)景的紋理數(shù)據(jù)。
其中，模型層包括存儲(chǔ)模型子模塊、行為模型子模塊和約束條件子模塊；
存儲(chǔ)模型子模塊負(fù)責(zé)構(gòu)造虛擬加油站的三維造型；
行為模型子模塊負(fù)責(zé)構(gòu)造虛擬角色的各種基本行為；
約束條件子模塊用于將存儲(chǔ)模型與行為模型相關(guān)聯(lián)。
其中，虛擬環(huán)境模擬層負(fù)責(zé)虛擬加油站的交互操作解釋?zhuān)溥M(jìn)一步包括碰撞檢測(cè)子模塊、時(shí)間/事件觸發(fā)子模塊和攝像機(jī)子模塊；
所述碰撞檢測(cè)子模塊對(duì)加油站模型進(jìn)行空間索引塊層、包容盒層、幾何面層、面片層的遞進(jìn)式的干涉判斷；
時(shí)間/事件觸發(fā)子模塊是指通過(guò)時(shí)間和事件觸發(fā)機(jī)制來(lái)加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的復(fù)雜行為，使系統(tǒng)能夠在事先設(shè)定好的時(shí)限內(nèi)或按照已設(shè)定事件而執(zhí)行，其中的時(shí)間觸發(fā)為在加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的一個(gè)任務(wù)在某一預(yù)先設(shè)定的時(shí)間上才能運(yùn)行，事件觸發(fā)為加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的一個(gè)任務(wù)只有在與之相關(guān)的特定事件發(fā)生的條件下才能運(yùn)行；
攝像機(jī)子模塊用于支持用戶在漫游虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景過(guò)程中對(duì)視點(diǎn)的控制。
其中，所述場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊包括加油站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，加油站模型庫(kù)，典型災(zāi)害模型庫(kù)，所述加油站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包括加油站基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、工藝流程數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、典型事故模擬數(shù)據(jù)等，所述加油站模型庫(kù)包括加油站廠房、裝置及設(shè)備立體層次的三維數(shù)字化模型，模型與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景按照1:1比例構(gòu)建。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明還提供了一種加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其包括
三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊、場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊、頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊、 事故三維渲染模塊和考試評(píng)估模塊；
所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊用于接收并處理加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的頭盔顯示器用傳感器和數(shù)據(jù)手套用傳感器傳遞給所述虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的參訓(xùn)者動(dòng)作信號(hào)，采集數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器的數(shù)據(jù)，控制虛擬場(chǎng)景中角色做出對(duì)應(yīng)動(dòng)作；
所述事故三維渲染模塊實(shí)現(xiàn)加油站泄漏、火災(zāi)和爆炸等事故的虛擬場(chǎng)景，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)算法模擬事故的發(fā)展過(guò)程機(jī)理與動(dòng)態(tài)行為；
所述數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的數(shù)據(jù)手套和位置追蹤器的運(yùn)行；
所述頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的頭盔顯示器的運(yùn)行；
所述場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用于為虛擬培訓(xùn)提供數(shù)字化場(chǎng)景；
所述考核評(píng)估模塊包括電子試卷子模塊、自動(dòng)評(píng)分子模塊及情景考核子模塊；
所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊由渲染層、模型層和虛擬環(huán)境模擬層組成；
所述渲染層包括三維幾何模型繪制子模塊、光線處理子模塊和紋理處理子模塊；
所述模型層包括存儲(chǔ)模型子模塊、行為模型子模塊和約束條件子模塊；
所述虛擬環(huán)境模擬層進(jìn)一步包括碰撞檢測(cè)子模塊、時(shí)間/事件觸發(fā)子模塊和攝像機(jī)子模塊；
所述場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊包括加油站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，加油站模型庫(kù)，典型災(zāi)害模型庫(kù)。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明還提供了一種加油站虛擬培訓(xùn)裝置，其包括
計(jì)算機(jī)終端設(shè)備、頭盔顯示器、與頭盔顯示器相連的頭盔顯示器用傳感器、耳機(jī)、 數(shù)據(jù)手套、與數(shù)據(jù)手套相連的數(shù)據(jù)手套用傳感器和位置跟蹤器；
利用所述數(shù)據(jù)手套和所述位置跟蹤器在虛擬場(chǎng)景中完成虛擬手勢(shì)映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)加油站設(shè)備的虛擬操作識(shí)別，通過(guò)虛擬手操作實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景中設(shè)備和物體的實(shí)時(shí)交互， 完成逼真實(shí)時(shí)的人機(jī)交互操作；
所述頭盔顯示器配合耳機(jī)用以顯示音頻、視頻信號(hào)，并感知受訓(xùn)人員頭部方位，為使用者提供一個(gè)沉浸的虛擬環(huán)境；
所述數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器與所述計(jì)算機(jī)終端設(shè)備通過(guò)VGA視頻接口、音頻接口和USB接口連接。
所述數(shù)據(jù)手套利用其上的傳感器獲得數(shù)據(jù)，對(duì)加油機(jī)、消防炮等加油站設(shè)備實(shí)現(xiàn)虛擬操作識(shí)別。
所述數(shù)據(jù)手套可以實(shí)現(xiàn)手指的彎曲等動(dòng)作，但是手平移的時(shí)候，位置發(fā)生變化了， 但是數(shù)據(jù)手套無(wú)法獲取手部平移的數(shù)據(jù)，而位置追蹤器可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明還提供了上述加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)或加油站虛擬培訓(xùn)裝置在化工安全生產(chǎn)中的應(yīng)用。
有益的技術(shù)效果在于
本發(fā)明的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 配合虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備在電腦終端上為加油站操作人員提供了真實(shí)的虛擬培訓(xùn)場(chǎng)景，可以模擬特定的事故場(chǎng)景，將操作人員的加油、卸油、安全檢查、隱患治理、事故應(yīng)急等幾乎所有在真實(shí)場(chǎng)景中涉及到得動(dòng)作通過(guò)對(duì)應(yīng)的傳感器傳遞給虛擬系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景中角色做出相同的動(dòng)作，使操作人員最大限度的貼近實(shí)際操作，大大節(jié)省培訓(xùn)成本，提高培訓(xùn)效率，另外，本發(fā)明真正體現(xiàn)了培訓(xùn)的互動(dòng)性，系統(tǒng)可操作性強(qiáng)，界面友好。


圖I基于硬件交互的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖2三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊框架結(jié)構(gòu)圖3數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊操作仿真流程圖4加油站事故虛擬演練結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的基于硬件交互的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備和三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊，生成逼真的加油站虛擬場(chǎng)景和典型事故場(chǎng)景，受訓(xùn)者可以真實(shí)地完成標(biāo)準(zhǔn)化操作模擬和事故應(yīng)急虛擬演練，以提高加油站員工虛擬培訓(xùn)的真實(shí)性和培訓(xùn)效果。
本發(fā)明提供一種加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其包括
三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊、場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊、頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊、 事故三維渲染模塊和考試評(píng)估模塊；
所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊用于接收并處理加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的頭盔顯示器用傳感器和數(shù)據(jù)手套用傳感器傳遞給所述虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的參訓(xùn)者動(dòng)作信號(hào)，采集數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器的數(shù)據(jù)，控制虛擬場(chǎng)景中角色做出對(duì)應(yīng)動(dòng)作；
所述事故三維渲染模塊實(shí)現(xiàn)加油站泄漏、火災(zāi)和爆炸等事故的虛擬場(chǎng)景，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)算法模擬事故的發(fā)展過(guò)程機(jī)理與動(dòng)態(tài)行為；
所述數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的數(shù)據(jù)手套和位置追蹤器的運(yùn)行；
所述頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的頭盔顯示器的運(yùn)行；
所述場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用于為虛擬培訓(xùn)提供數(shù)字化場(chǎng)景；
所述考核評(píng)估模塊包括電子試卷子模塊、自動(dòng)評(píng)分子模塊及情景考核子模塊。
其中，所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊采用層次化設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)，由渲染層、模型層和虛擬環(huán)境模擬層組成。
所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊是加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的核心部分，其基于VC軟件和 OpenGL可視化編輯語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，負(fù)責(zé)顯示、組織和管理三維加油站虛擬場(chǎng)景的數(shù)據(jù)，表現(xiàn)渲染三維培訓(xùn)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)加油站標(biāo)準(zhǔn)化培訓(xùn)的各種應(yīng)用，提供系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)的接口與工具。能夠?qū)崿F(xiàn)加油站三維可視化、場(chǎng)景編輯、自由游歷、信息查詢(xún)等功能，對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊的組織和管理，定制漫游狀態(tài)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)，實(shí)時(shí)消隱，層次細(xì)節(jié)紋理映射，支持?jǐn)?shù)據(jù)的輸入 /輸出設(shè)備，如作為數(shù)據(jù)輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器，作為數(shù)據(jù)輸出設(shè)備的頭盔顯示器。
其中，渲染層采用OpenGL作為渲染系統(tǒng)的底層圖形庫(kù)，提供對(duì)三維幾何模型(點(diǎn)、 線、多邊形、曲線和曲面等)的生成和渲染工作，進(jìn)一步包括三維幾何模型繪制子模塊、光線處理子模塊和紋理處理子模塊。
三維幾何模型繪制子模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)三維幾何模型數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、管理與繪制， 其支持的三維模型數(shù)據(jù)包括*. 3ds和*. max,不但可以對(duì)3DS文件進(jìn)行解析繪制，而已可以利用自主研發(fā)的3DS Max數(shù)據(jù)插件，從3DS Max中直接導(dǎo)出自定義的三維模型格式，支持模型的烘焙或動(dòng)畫(huà)特性，具有良好的兼容性。該子模塊首先采用漸進(jìn)網(wǎng)格算法對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)三維模型數(shù)據(jù)采用R-tree進(jìn)行索引組織，基于IOCP機(jī)制與LRU緩存算法對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行多線程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)面向加油站三維模型的高效數(shù)據(jù)引擎，在繪制過(guò)程中采用 “外存-內(nèi)存-顯存”間的數(shù)據(jù)自適應(yīng)調(diào)度技術(shù)及顯示列表(Display List)、VBO (Vertex Buffer Object)、硬件遮擋剔除等GPU渲染加速技術(shù),進(jìn)一步滿足系統(tǒng)高效繪制的需求。
光線處理子模塊主要負(fù)責(zé)渲染過(guò)程中光照效果模擬。該子模塊首先實(shí)時(shí)的構(gòu)建了光照模型。在基本光照模型中，一個(gè)物體的表面顏色是放射(emissive)、環(huán)境反射 (ambient)、漫反射(diffuse)和鏡面反射(specular)等光照作用的總和。每種光照作用取決于表面材質(zhì)的性質(zhì)(例如亮度和材質(zhì)顏色)和光源的性質(zhì)(例如光的顏色和位置)的共同作用。該子模塊支持多種光源模型，包括平行光、聚光燈、泛光燈等，并可通過(guò)調(diào)整參數(shù)實(shí)時(shí)查看光照效果。然后基于GPU Shader技術(shù)進(jìn)行光照模擬，Shader程序分為兩種頂點(diǎn) shader和像素shader。通過(guò)頂點(diǎn)shader,提供靈活的光照模型計(jì)算方法；而像素Shader提供了一種靈活的建立真實(shí)光照模型和實(shí)現(xiàn)很多特殊效果的方法。
紋理處理子模塊負(fù)責(zé)管理和調(diào)度虛擬場(chǎng)景的紋理數(shù)據(jù)。該子模塊的核心是一個(gè)紋理管理器(TextureManager),支持常用的紋理數(shù)據(jù)格式,包括tga、png、jpg、bmp、dds等。 將載入到內(nèi)存的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和信息提取，采用紋理計(jì)數(shù)器技術(shù)管理渲染引擎的公共紋理，避免相同紋理的重復(fù)載入，節(jié)省內(nèi)存、顯存空間。同時(shí)，該模塊支持渲染多種GPU紋理特效，結(jié)合 FBO (Frame Buffer 0bject)、PB0 (Pixel Buffer Object)等顯不緩存技術(shù),對(duì)模型紋理進(jìn)行更加逼真的特效模擬，包括凹凸紋理、光亮特效、AVI視頻等。
其中，模型層包括存儲(chǔ)模型子模塊、行為模型子模塊和約束條件子模塊，存儲(chǔ)模型子模塊負(fù)責(zé)構(gòu)造虛擬加油站的三維造型；行為模型子模塊負(fù)責(zé)構(gòu)造虛擬角色的各種基本行為；約束條件子模塊用于將存儲(chǔ)模型與行為模型相關(guān)聯(lián)。基本的約束條件包括虛擬行為與虛擬物體的貼合、貼合偏移、定向和坐標(biāo)系等，這些約束條件都可歸為點(diǎn)線面之間的位置關(guān)系，常用的包圍盒相交判斷主要是為了確定約束識(shí)別的范圍及參與導(dǎo)航的約束作用范圍， 包圍盒不相交則不進(jìn)行約束識(shí)別。
其中，虛擬環(huán)境模擬層負(fù)責(zé)虛擬加油站的交互操作解釋?zhuān)溥M(jìn)一步包括碰撞檢測(cè)子模塊、時(shí)間/事件觸發(fā)子模塊和攝像機(jī)子模塊。
碰撞檢測(cè)子模塊采用基于幾何面的層次式碰撞檢測(cè)算法，對(duì)加油站模型進(jìn)行空間索引塊層、包容盒層、幾何面層、面片層的遞進(jìn)式的干涉判斷。這是一種基于離散點(diǎn)的碰撞檢測(cè)方法，這個(gè)方法的運(yùn)算開(kāi)銷(xiāo)較小，但容易造成物體的交迭過(guò)深或者彼此穿越。為了避免這種情況的發(fā)生，我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎幂^小的模擬步長(zhǎng)進(jìn)行碰撞檢測(cè)?；趲缀蚊娴膶哟问脚鲎矙z測(cè)算法能夠逐步縮小參與碰撞檢測(cè)的范圍，從而對(duì)加油站模型進(jìn)行運(yùn)算裁剪和優(yōu)化。該算法能夠有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)碰撞檢測(cè)算法對(duì)幾何面信息考慮不足的缺點(diǎn)，有效的提高碰撞檢測(cè)的效率，而且可以直接返回發(fā)生碰撞的幾何面對(duì)，為后續(xù)的虛擬操作識(shí)別提供依據(jù)。
時(shí)間/事件觸發(fā)子模塊是指通過(guò)時(shí)間和事件觸發(fā)機(jī)制來(lái)加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的復(fù)雜行為，使系統(tǒng)能夠在事先設(shè)定好的時(shí)限內(nèi)或按照已設(shè)定事件而執(zhí)行，時(shí)間觸發(fā)是指在加油站三維系統(tǒng)中的一個(gè)任務(wù)在某一預(yù)先設(shè)定的時(shí)間上才能運(yùn)行，事件觸發(fā)是指三維系統(tǒng)中的一個(gè)任務(wù)只有在與之相關(guān)的特定事件發(fā)生的條件下才能運(yùn)行，目前很多虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)并不能滿足時(shí)間/事件混合觸發(fā)的要求，本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)任務(wù)觸發(fā)增加一個(gè)調(diào)度控制層， 利用控制層來(lái)管理任務(wù)節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)機(jī)制，采用的基本原則為時(shí)間觸發(fā)任務(wù)要在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)上開(kāi)始運(yùn)行，如果此時(shí)有事件觸發(fā)任務(wù)，那么該事件觸發(fā)任務(wù)將優(yōu)先執(zhí)行。
攝像機(jī)子模塊用于支持用戶在漫游虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景過(guò)程中對(duì)視點(diǎn)的控制，攝像機(jī)子模塊可對(duì)相機(jī)視點(diǎn)的空間方位信息進(jìn)行管理存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)在場(chǎng)景中自由漫游，路徑動(dòng)畫(huà)等操作，同時(shí)該模塊也提供了對(duì)渲染引擎視景體信息的管理，包含視景體操作過(guò)程中需要的控制數(shù)據(jù)、方法及屬性信息，攝像機(jī)子模塊的質(zhì)量直接影響整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)。
所述場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊包括加油站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，加油站模型庫(kù)，典型災(zāi)害模型庫(kù)， 所述加油站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包括加油站基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、工藝流程數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、典型事故模擬數(shù)據(jù)等，所述加油站模型庫(kù)包括加油站廠房、裝置及設(shè)備立體層次的三維數(shù)字化模型， 模型與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景按照1:1比例構(gòu)建。
所述事故三維渲染模塊中的事故三維渲染方法基于面片疊加法，在GPU上實(shí)現(xiàn)事故的全部渲染工作，從面片的生成，排序和渲染全在GPU內(nèi)部完成，實(shí)現(xiàn)了虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中所需要的實(shí)時(shí)大規(guī)模泄漏、火災(zāi)等事故三維模擬。
本發(fā)明還提供了一種加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其包括
三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊、場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊、頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊、 事故三維渲染模塊和考試評(píng)估模塊；
所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊用于接收并處理加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的頭盔顯示器用傳感器和數(shù)據(jù)手套用傳感器傳遞給所述虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的參訓(xùn)者動(dòng)作信號(hào)，采集數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器的數(shù)據(jù)，控制虛擬場(chǎng)景中角色做出對(duì)應(yīng)動(dòng)作；
所述事故三維渲染模塊實(shí)現(xiàn)加油站泄漏、火災(zāi)和爆炸等事故的虛擬場(chǎng)景，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)算法模擬事故的發(fā)展過(guò)程機(jī)理與動(dòng)態(tài)行為；
所述數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的數(shù)據(jù)手套和位置追蹤器的運(yùn)行；
所述頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的頭盔顯示器的運(yùn)行；
所述場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用于為虛擬培訓(xùn)提供數(shù)字化場(chǎng)景；
所述考核評(píng)估模塊包括電子試卷子模塊、自動(dòng)評(píng)分子模塊及情景考核子模塊；
所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊由渲染層、模型層和虛擬環(huán)境模擬層組成；
所述渲染層包括三維幾何模型繪制子模塊、光線處理子模塊和紋理處理子模塊；
所述模型層包括存儲(chǔ)模型子模塊、行為模型子模塊和約束條件子模塊；
所述虛擬環(huán)境模擬層進(jìn)一步包括碰撞檢測(cè)子模塊、時(shí)間/事件觸發(fā)子模塊和攝像機(jī)子模塊；
所述場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊包括加油站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，加油站模型庫(kù)，典型災(zāi)害模型庫(kù)。
進(jìn)一步優(yōu)選，所述加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)僅由上述部件構(gòu)成。
本發(fā)明還提供了一種加油站虛擬培訓(xùn)裝置，其包括
計(jì)算機(jī)終端設(shè)備、頭盔顯示器、與頭盔顯示器相連的頭盔顯示器用傳感器、耳機(jī)、 數(shù)據(jù)手套、與數(shù)據(jù)手套相連的數(shù)據(jù)手套用傳感器和位置跟蹤器；
利用所述數(shù)據(jù)手套和所述位置跟蹤器在虛擬場(chǎng)景中完成虛擬手勢(shì)映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)加油站設(shè)備的虛擬操作識(shí)別，通過(guò)虛擬手操作實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景中設(shè)備和物體的實(shí)時(shí)交互，完成逼真實(shí)時(shí)的人機(jī)交互操作；
所述頭盔顯示器配合耳機(jī)用以顯示音頻、視頻信號(hào)，并感知受訓(xùn)人員頭部方位，為使用者提供一個(gè)沉浸的虛擬環(huán)境；
所述數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器與所述計(jì)算機(jī)終端設(shè)備通過(guò)VGA視頻接口、音頻接口和USB接口連接。
所述數(shù)據(jù)手套利用其上的傳感器獲得數(shù)據(jù)，對(duì)加油機(jī)、消防炮等加油站設(shè)備實(shí)現(xiàn)虛擬操作識(shí)別。
所述數(shù)據(jù)手套可以實(shí)現(xiàn)手指的彎曲等動(dòng)作，但是手平移的時(shí)候，位置發(fā)生變化了， 但是數(shù)據(jù)手套無(wú)法獲取手部平移的數(shù)據(jù)，而位置追蹤器可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。進(jìn)一步優(yōu)選，所述加油站虛擬培訓(xùn)裝置僅由上述設(shè)備構(gòu)成。
本發(fā)明的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用三維建模軟件構(gòu)建加油站的三維模型庫(kù)； 利用開(kāi)源三維圖形開(kāi)發(fā)庫(kù)OpenGL與物理引擎(前文描述的碰撞，事故的粒子特效等都屬于物理引擎的范疇)相結(jié)合，運(yùn)用VC開(kāi)發(fā)三維數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)引擎；利用數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器在虛擬場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)虛擬手勢(shì)映射，實(shí)現(xiàn)逼真實(shí)時(shí)的人機(jī)交互操作；頭盔顯示器通過(guò)與電腦終端相連，配合耳機(jī)用以顯示音頻、視頻信號(hào)，并感知受訓(xùn)人員頭部方位；在提供標(biāo)準(zhǔn)操作培訓(xùn)基礎(chǔ)上，在三維虛擬場(chǎng)景中以互動(dòng)操作考核的方式對(duì)受訓(xùn)者進(jìn)行考試與評(píng)價(jià)；提供多角色協(xié)同培訓(xùn)方式，在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下多種角色進(jìn)入同一場(chǎng)景，不用角色擁有不同的機(jī)能和裝備，進(jìn)行互動(dòng)培訓(xùn)。
本發(fā)明還提供了上述加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)在化工安全生產(chǎn)中的應(yīng)用。
本發(fā)明是利用通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)這些現(xiàn)代信息技術(shù)手段，整個(gè)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)結(jié)合完成。
如圖I所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于硬件交互的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。
(I)操作者是整個(gè)系統(tǒng)中的能動(dòng)主體，他發(fā)出操作動(dòng)作，并根據(jù)得到的反饋信息來(lái)調(diào)整操作動(dòng)作，直到完成所要求的操作。本系統(tǒng)中操作者動(dòng)作主要手部的抓取等動(dòng)作；
(2)為了實(shí)現(xiàn)操作者與虛擬操作環(huán)境之間自然、高效的交互，由于操作者不可能直接進(jìn)入虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作，只能通過(guò)人手在虛擬環(huán)境中的代理(虛擬手)來(lái)完成虛擬操作，本系統(tǒng)主要利用位置跟蹤器和數(shù)據(jù)手套，通過(guò)RS232接口與計(jì)算機(jī)相連。其中數(shù)據(jù)手套主要捕捉操作者手部動(dòng)作，位置跟蹤器用來(lái)捕捉手部的位置信息。
(3)電腦終端利用三維驅(qū)動(dòng)引擎接受并處理系統(tǒng)中各傳感器接受到的動(dòng)作信號(hào)， 利用虛擬手模型實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景中設(shè)備和物體的交互操作。
(4)場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)和事故數(shù)據(jù)庫(kù)。其中三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)包括加油站設(shè)備基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，加油站三維模型數(shù)據(jù)，日常標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)范數(shù)據(jù)，加油站事故應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)，消防資源數(shù)據(jù)和考核知識(shí)數(shù)據(jù)；事故數(shù)據(jù)庫(kù)包括典型事故(泄漏、火災(zāi)、爆炸等)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，事故發(fā)生過(guò)程數(shù)據(jù)，事故后災(zāi)害場(chǎng)景數(shù)據(jù)(設(shè)備事故殘骸等)以及事故三維可視化數(shù)據(jù)。
(5)操作者經(jīng)過(guò)培訓(xùn)后，管理人員可以利用該系統(tǒng)對(duì)操作者進(jìn)行考核，管理人員通過(guò)設(shè)置不同的考核科目，由操作者根據(jù)自身的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行模擬操作，系統(tǒng)可根據(jù)操作者的操作情況給予評(píng)分；另外，系統(tǒng)提供的評(píng)估功能能夠?qū)Σ僮鬟^(guò)程和演練步驟進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)與操作規(guī)范和應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行對(duì)比，找出操作過(guò)程中的不足，對(duì)規(guī)范和預(yù)案進(jìn)行完善和修改。
(6)頭盔顯示器作為本系統(tǒng)的輸出設(shè)備，能夠?qū)⒅鳈C(jī)的三維場(chǎng)景圖形顯示在頭盔中，提高虛擬培訓(xùn)的沉浸感和交互性。
圖2顯示的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊的框架結(jié)構(gòu)圖，三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊采用層次化設(shè)計(jì)方式，由渲染層、模型層和虛擬環(huán)境模擬層組成。渲染層基于三維圖形渲染庫(kù)OpenGL，提供對(duì)基本幾何體的生成和渲染工作；模型層包括存儲(chǔ)模型、行為模型和約束條件。存儲(chǔ)模型負(fù)責(zé)構(gòu)造虛擬加油站的三維造型；行為模型負(fù)責(zé)構(gòu)造虛擬角色的各種基本行為；約束條件用于將存儲(chǔ)模型與行為模型相關(guān)聯(lián)。虛擬環(huán)境模擬層負(fù)責(zé)虛擬加油站的交互操作和虛擬對(duì)象行為的解釋。
(I)模型層是整個(gè)引擎的基礎(chǔ)，三維驅(qū)動(dòng)引擎由模型層開(kāi)始。其中的存儲(chǔ)模型用來(lái)存儲(chǔ)場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)，場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)和事故數(shù)據(jù)庫(kù)。其中三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)包括加油站設(shè)備基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，加油站三維模型數(shù)據(jù)，日常標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)范數(shù)據(jù)，加油站事故應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)，消防資源數(shù)據(jù)和考核知識(shí)數(shù)據(jù)；事故數(shù)據(jù)庫(kù)包括典型事故(泄漏、火災(zāi)、 爆炸等)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，事故發(fā)生過(guò)程數(shù)據(jù)，事故后災(zāi)害場(chǎng)景數(shù)據(jù)(設(shè)備事故殘骸等)以及事故三維可視化數(shù)據(jù)。行為模型負(fù)責(zé)構(gòu)造虛擬角色的各種行為，包括抓取、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)、釋放等操作。約束條件包括虛擬行為與虛擬物體的貼合、貼合偏移、定向和坐標(biāo)系等，這些約束條件都可歸為點(diǎn)線面之間的位置關(guān)系，常用的包圍盒相交判斷主要是為了確定約束識(shí)別的范圍及參與導(dǎo)航的約束作用范圍，包圍盒不相交則不進(jìn)行約束識(shí)別。
(2)渲染層是三維驅(qū)動(dòng)引擎的核心，是對(duì)模型層的可視化顯示。幾何模型繪制支持的三維模型數(shù)據(jù)包括*. 3ds和*. max。不但可以對(duì)3DS文件進(jìn)行解析繪制，而已可以利用自主研發(fā)的3DS Max數(shù)據(jù)插件，從3DS Max中直接導(dǎo)出自定義的三維模型格式，支持模型的烘焙或動(dòng)畫(huà)特性，具有良好的兼容性。該模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)三維幾何模型數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、管理與繪制。首先采用漸進(jìn)網(wǎng)格算法對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)三維模型數(shù)據(jù)采用R-tree進(jìn)行索引組織，基于IOCP機(jī)制與LRU緩存算法對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行多線程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)面向加油站三維模型的高效數(shù)據(jù)引擎。在繪制過(guò)程中采用“外存-內(nèi)存-顯存”間的數(shù)據(jù)自適應(yīng)調(diào)度技術(shù)及顯示列表(Display List)、VBO (Vertex Buffer Object)、硬件遮擋剔除等GPU渲染加速技術(shù)，進(jìn)一步滿足系統(tǒng)高效繪制的需求。光線處理主要負(fù)責(zé)渲染過(guò)程中光照效果模擬。首先，該模塊實(shí)時(shí)的構(gòu)建了光照模型。在基本光照模型中，一個(gè)物體的表面顏色是放射 (emissive)、環(huán)境反射(ambient)、漫反射(diffuse)和鏡面反射(specular)等光照作用的總和。每種光照作用取決于表面材質(zhì)的性質(zhì)(例如亮度和材質(zhì)顏色)和光源的性質(zhì)(例如光的顏色和位置)的共同作用。該模塊支持多種光源模型，包括平行光、聚光燈、泛光燈等，并可通過(guò)調(diào)整參數(shù)實(shí)時(shí)查看光照效果。然后基于GPU Shader技術(shù)進(jìn)行光照模擬，Shader程序分為兩種頂點(diǎn)shader和像素shader。通過(guò)頂點(diǎn)shader,提供靈活的光照模型計(jì)算方法；而像素Shader提供了一種靈活的建立真實(shí)光照模型和實(shí)現(xiàn)很多特殊效果的方法。紋理處理負(fù)責(zé)管理和調(diào)度虛擬場(chǎng)景的紋理數(shù)據(jù)。核心是一個(gè)紋理管理器(TextureManager)，支持常用的紋理數(shù)據(jù)格式，包括tga、png、jpg、bmp、dds等。將載入到內(nèi)存的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和信息提取，采用紋理計(jì)數(shù)器技術(shù)管理渲染引擎的公共紋理，避免相同紋理的重復(fù)載入， 節(jié)省內(nèi)存、顯存空間。同時(shí)，該模塊支持渲染多種GPU紋理特效，結(jié)合FBO (Frame Buffer Object)、PBO (Pixel Buffer Object)等顯示緩存技術(shù),對(duì)模型紋理進(jìn)行更加逼真的特效模擬，包括凹凸紋理、光亮特效、AVI視頻等。
(3)虛擬環(huán)境模擬層是三維驅(qū)動(dòng)引擎的重要組成部分，負(fù)責(zé)加油站培訓(xùn)系統(tǒng)的交互操作。其中碰撞檢測(cè)采用基于幾何面的層次式碰撞檢測(cè)算法。對(duì)加油站模型進(jìn)行空間索引塊層、包容盒層、幾何面層、面片層的遞進(jìn)式的干涉判斷。這是一種基于離散點(diǎn)的碰撞檢測(cè)方法，這個(gè)方法的運(yùn)算開(kāi)銷(xiāo)較小，但容易造成物體的交迭過(guò)深或者彼此穿越。為了避免這種情況的發(fā)生，我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎幂^小的模擬步長(zhǎng)進(jìn)行碰撞檢測(cè)。基于幾何面的層次式碰撞檢測(cè)算法能夠逐步縮小參與碰撞檢測(cè)的范圍，從而對(duì)加油站模型進(jìn)行運(yùn)算裁剪和優(yōu)化。該算法能夠有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)碰撞檢測(cè)算法對(duì)幾何面信息考慮不足的缺點(diǎn)，有效的提高碰撞檢測(cè)的效率，而且可以直接返回發(fā)生碰撞的幾何面對(duì)，為后續(xù)的虛擬操作識(shí)別提供依據(jù)。時(shí)間觸發(fā)是指在加油站三維系統(tǒng)中的一個(gè)任務(wù)在某一預(yù)先設(shè)定的時(shí)間上才能運(yùn)行，事件觸發(fā)是指三維系統(tǒng)中的一個(gè)任務(wù)只有在與之相關(guān)的特定事件發(fā)生的條件下才能運(yùn)行，目前很多虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)并不能滿足時(shí)間/事件混合觸發(fā)的要求，本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)任務(wù)觸發(fā)增加一個(gè)調(diào)度控制層，利用控制層來(lái)管理任務(wù)節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)機(jī)制，采用的基本原則為時(shí)間觸發(fā)任務(wù)要在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)上開(kāi)始運(yùn)行，如果此時(shí)有事件觸發(fā)任務(wù)，那么該事件觸發(fā)任務(wù)將優(yōu)先執(zhí)行。用戶在漫游虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景過(guò)程中對(duì)視點(diǎn)的控制，均是攝像機(jī)模塊提供的功能支持。相機(jī)模塊可對(duì)相機(jī)視點(diǎn)的空間方位信息進(jìn)行管理存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)在場(chǎng)景中自由漫游，路徑動(dòng)畫(huà)等操作。同時(shí)該模塊也提供了對(duì)渲染引擎視景體信息的管理，包含視景體操作過(guò)程中需要的控制數(shù)據(jù)、方法及屬性信息。相機(jī)模塊的質(zhì)量直接影響整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)。
圖3顯示了數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊的操作仿真流程過(guò)程，受訓(xùn)者佩戴帶數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器進(jìn)行交互操作，三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊采集數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器的數(shù)據(jù)，計(jì)算手部各個(gè)關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài)，用計(jì)算得到的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬手(數(shù)據(jù)手套是硬件，利用數(shù)據(jù)手套控制虛擬場(chǎng)景中的虛擬手，虛擬手是數(shù)據(jù)手套在系統(tǒng)中的一種體現(xiàn)或者說(shuō)是一種存在形式)部各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行虛擬手與被操作物體之間的碰撞檢測(cè)，依據(jù)抓取規(guī)則判斷虛擬手是否抓住被操作的物體。
(I)操作者根據(jù)需要完成的任務(wù)，發(fā)出操作動(dòng)作，數(shù)據(jù)手套測(cè)量出人手各個(gè)關(guān)節(jié)的原始數(shù)據(jù)。1
(2)位置跟蹤器測(cè)量出人手在工作空間中的具體位置信息。
(3)數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口傳送給計(jì)算機(jī)中生成的虛擬加油站環(huán)境，計(jì)算機(jī)根據(jù)所得到的人手運(yùn)動(dòng)原始數(shù)據(jù)計(jì)算出虛擬手運(yùn)動(dòng)所需要的各個(gè)參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)更新虛擬手在虛擬操作空間中的位置和姿態(tài)。
(4)虛擬手與虛擬操作對(duì)象(加油站設(shè)備和設(shè)施)間進(jìn)行碰撞檢測(cè)。如果兩者之間沒(méi)有碰撞，進(jìn)程轉(zhuǎn)到信息反饋一步；如果兩者之間有碰撞，轉(zhuǎn)入下一步，及判斷虛擬手與虛擬物體間是否滿足抓取規(guī)則。
(5)如果虛擬手與虛擬物體滿足抓取規(guī)則，則虛擬物體的坐標(biāo)系與虛擬手的坐標(biāo)系連接，即虛擬物體被虛擬手抓??；虛擬物體隨虛擬手一起被平移、旋轉(zhuǎn)等操作。
(6)如果虛擬手與虛擬物體之間不滿足抓取規(guī)則，則判斷虛擬物體是否與虛擬手坐標(biāo)系連接，若連接，則解除此關(guān)系，既虛擬物體被釋放；若不連接，則保持虛擬物體與虛擬手各自的坐標(biāo)關(guān)系，然后將此結(jié)果反饋給操作者。
(7)操作者接到反饋消息后，根據(jù)操作任務(wù)調(diào)整手的位置和姿態(tài)；
(8)數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器測(cè)量手的位置和姿態(tài)信息，并將該信息傳遞給虛擬加油站環(huán)境，開(kāi)始新一輪的操作循環(huán)。
圖4顯示了加油站事故虛擬演練的一個(gè)實(shí)例，系統(tǒng)創(chuàng)建事故場(chǎng)景，受訓(xùn)者選擇不同的角色進(jìn)入演練，包括操作人員、班長(zhǎng)、消防人員等，不同角色具有不同的視角和任務(wù)。 演練開(kāi)始后，受訓(xùn)人員操縱虛擬角色開(kāi)展演練；演練過(guò)程中，管理員可以對(duì)演練進(jìn)行干預(yù)操作，虛擬場(chǎng)景能夠做出相應(yīng)反饋，受訓(xùn)者可接收到并采取相應(yīng)對(duì)策；演練結(jié)束后，系統(tǒng)對(duì)演練過(guò)程進(jìn)行記錄，編輯形成演練檔案，可通過(guò)與已有預(yù)案對(duì)比或?qū)＜抑v評(píng)考核。
(I)預(yù)案和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)提供虛擬演練所需要的應(yīng)急預(yù)案和基礎(chǔ)信息，其中預(yù)案主要包括加油站典型事故(泄漏、爆炸、火災(zāi)等)的應(yīng)急處置預(yù)案文檔；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包括加油站三維場(chǎng)景模型庫(kù)，加油站典型事故(泄漏、爆炸、火災(zāi)等)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，和事故后災(zāi)害場(chǎng)景數(shù)據(jù)(設(shè)備事故殘骸等)以及事故三維可視化數(shù)據(jù)。
(2)預(yù)案演練是指按照已有預(yù)案在虛擬場(chǎng)景中通過(guò)設(shè)置事故場(chǎng)景及相關(guān)設(shè)施開(kāi)展虛擬演練。
(3)隨機(jī)演練主要包括任務(wù)設(shè)置和場(chǎng)景設(shè)置，其中任務(wù)設(shè)置是指通過(guò)設(shè)置各種參數(shù)，設(shè)置在演練場(chǎng)景中發(fā)生的災(zāi)害和突發(fā)事件，并可根據(jù)時(shí)間和事件形式混合觸發(fā)下一步操作；場(chǎng)景設(shè)置是指可以根據(jù)演練需要?jiǎng)?chuàng)建演練環(huán)境，設(shè)置演練場(chǎng)地的相關(guān)信息。
(4)參訓(xùn)者根據(jù)自己的任務(wù)選擇不同的角色進(jìn)行演練，系統(tǒng)提供的角色包括班長(zhǎng)、加油員、消防隊(duì)員，計(jì)量人員和群眾等角色。
(5)實(shí)施演練過(guò)程中，參訓(xùn)者根據(jù)自己的角色利用數(shù)據(jù)手套和位置追蹤器等輸入設(shè)備與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行交互，完成預(yù)案中規(guī)定的動(dòng)作和步驟；群眾可以作為觀摩人員在任意時(shí)刻選擇任意視角觀摩真?zhèn)€演練過(guò)程。
(6)記錄模塊主要用以視頻、聲音等多媒體形式記錄演練過(guò)程，編輯形成演練檔案。
(7)考核模塊中通過(guò)引入專(zhuān)家講評(píng)機(jī)制對(duì)演練過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)和考核，并與已有的預(yù)案文檔進(jìn)行對(duì)比，查找演練過(guò)程中的不足，并對(duì)已有預(yù)案進(jìn)行修改和完善。
所有上述的首要實(shí)施這一知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并沒(méi)有設(shè)定限制其他形式的實(shí)施這種新產(chǎn)品和/或新方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員將利用這一重要信息，上述內(nèi)容修改，以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的執(zhí)行情況。但是，所有修改或改造基于本發(fā)明新產(chǎn)品屬于保留的權(quán)利。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對(duì)本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實(shí)施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其包括 三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊、場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊、頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊、事故三維渲染模塊和考試評(píng)估模塊； 所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊用于接收并處理加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的頭盔顯示器用傳感器和數(shù)據(jù)手套用傳感器傳遞給所述虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的參訓(xùn)者動(dòng)作信號(hào)，采集數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器的數(shù)據(jù)，控制虛擬場(chǎng)景中角色做出對(duì)應(yīng)動(dòng)作； 所述事故三維渲染模塊實(shí)現(xiàn)加油站泄漏、火災(zāi)和爆炸等事故的虛擬場(chǎng)景，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)算法模擬事故的發(fā)展過(guò)程機(jī)理與動(dòng)態(tài)行為； 所述數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的數(shù)據(jù)手套和位置追蹤器的運(yùn)行； 所述頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的頭盔顯示器的運(yùn)行； 所述場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用于為虛擬培訓(xùn)提供數(shù)字化場(chǎng)景； 所述考核評(píng)估模塊包括電子試卷子模塊、自動(dòng)評(píng)分子模塊及情景考核子模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其特征在于 所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊采用層次化設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)，由渲染層、模型層和虛擬環(huán)境模擬層組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其特征在于所述渲染層采用OpenGL作為渲染系統(tǒng)的底層圖形庫(kù)，提供對(duì)三維幾何模型的生成和渲染工作，進(jìn)一步包括三維幾何模型繪制子模塊、光線處理子模塊和紋理處理子模塊； 所述三維幾何模型繪制子模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)三維幾何模型數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、管理與繪制； 所述光線處理子模塊主要負(fù)責(zé)渲染過(guò)程中光照效果模擬； 所述紋理處理子模塊負(fù)責(zé)管理和調(diào)度虛擬場(chǎng)景的紋理數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其特征在于 模型層包括存儲(chǔ)模型子模塊、行為模型子模塊和約束條件子模塊； 存儲(chǔ)模型子模塊負(fù)責(zé)構(gòu)造虛擬加油站的三維造型； 行為模型子模塊負(fù)責(zé)構(gòu)造虛擬角色的各種基本行為； 約束條件子模塊用于將存儲(chǔ)模型與行為模型相關(guān)聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4所述的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其特征在于 虛擬環(huán)境模擬層負(fù)責(zé)虛擬加油站的交互操作解釋?zhuān)溥M(jìn)一步包括碰撞檢測(cè)子模塊、時(shí)間/事件觸發(fā)子模塊和攝像機(jī)子模塊； 所述碰撞檢測(cè)子模塊對(duì)加油站模型進(jìn)行空間索引塊層、包容盒層、幾何面層、面片層的遞進(jìn)式的干涉判斷； 時(shí)間/事件觸發(fā)子模塊是指通過(guò)時(shí)間和事件觸發(fā)機(jī)制來(lái)控制系統(tǒng)中的復(fù)雜行為，使系統(tǒng)能夠在事先設(shè)定好的時(shí)限內(nèi)或按照已設(shè)定事件而執(zhí)行，其中的時(shí)間觸發(fā)為在加油站三維系統(tǒng)中的一個(gè)任務(wù)在某一預(yù)先設(shè)定的時(shí)間上才能運(yùn)行，事件觸發(fā)為三維系統(tǒng)中的一個(gè)任務(wù)只有在與之相關(guān)的特定事件發(fā)生的條件下才能運(yùn)行； 攝像機(jī)子模塊用于支持用戶在漫游虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景過(guò)程中對(duì)視點(diǎn)的控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5所述的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其特征在于所述場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊包括加油站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，加油站模型庫(kù)，典型災(zāi)害模型庫(kù)，所述加油站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包括加油站基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、工藝流程數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、典型事故模擬數(shù)據(jù)，所述加油站模型庫(kù)包括加油站廠房、裝置及設(shè)備立體層次的三維數(shù)字化模型，模型與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景按照1:1比例構(gòu)建。
7.一種加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其特征在于，包括 三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊、場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊、頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊、事故三維渲染模塊和考試評(píng)估模塊； 所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊用于接收并處理加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的頭盔顯示器用傳感器和數(shù)據(jù)手套用傳感器傳遞給所述虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的參訓(xùn)者動(dòng)作信號(hào)，采集數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器的數(shù)據(jù)，控制虛擬場(chǎng)景中角色做出對(duì)應(yīng)動(dòng)作； 所述事故三維渲染模塊實(shí)現(xiàn)加油站泄漏、火災(zāi)和爆炸等事故的虛擬場(chǎng)景，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)算法模擬事故的發(fā)展過(guò)程機(jī)理與動(dòng)態(tài)行為； 所述數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的數(shù)據(jù)手套和位置追蹤器的運(yùn)行； 所述頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)加油站虛擬培訓(xùn)硬件裝置中的頭盔顯示器的運(yùn)行； 所述場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用于為虛擬培訓(xùn)提供數(shù)字化場(chǎng)景； 所述考核評(píng)估模塊包括電子試卷子模塊、自動(dòng)評(píng)分子模塊及情景考核子模塊； 所述三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊由渲染層、模型層和虛擬環(huán)境模擬層組成； 所述渲染層包括三維幾何模型繪制子模塊、光線處理子模塊和紋理處理子模塊； 所述模型層包括存儲(chǔ)模型子模塊、行為模型子模塊和約束條件子模塊； 所述虛擬環(huán)境模擬層進(jìn)一步包括碰撞檢測(cè)子模塊、時(shí)間/事件觸發(fā)子模塊和攝像機(jī)子模塊； 所述場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊包括加油站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，加油站模型庫(kù)，典型災(zāi)害模型庫(kù)。
8.一種加油站虛擬培訓(xùn)裝置，其特征在于，包括 計(jì)算機(jī)終端設(shè)備、頭盔顯示器、與頭盔顯示器相連的頭盔顯示器用傳感器、耳機(jī)、數(shù)據(jù)手套、與數(shù)據(jù)手套相連的數(shù)據(jù)手套用傳感器和位置跟蹤器； 利用所述數(shù)據(jù)手套和所述位置跟蹤器在虛擬場(chǎng)景中完成虛擬手勢(shì)映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)加油站設(shè)備的虛擬操作識(shí)別，通過(guò)虛擬手操作實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景中設(shè)備和物體的實(shí)時(shí)交互，完成逼真實(shí)時(shí)的人機(jī)交互操作； 所述頭盔顯示器配合耳機(jī)用以顯示音頻、視頻信號(hào)，并感知受訓(xùn)人員頭部方位，為使用者提供一個(gè)沉浸的虛擬環(huán)境； 所述數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器與所述計(jì)算機(jī)終端設(shè)備通過(guò)VGA視頻接口、音頻接口和USB接口連接。
9.權(quán)利要求I至7所述的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)或權(quán)利要求8所述的加油站虛擬培訓(xùn)裝置在化工安全生產(chǎn)中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其包括三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊、場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)模塊、頭盔顯示器驅(qū)動(dòng)模塊、事故三維渲染模塊和考試評(píng)估模塊。本發(fā)明的基于硬件交互的加油站虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備和三維驅(qū)動(dòng)引擎模塊，生成逼真的加油站虛擬場(chǎng)景和典型事故場(chǎng)景，受訓(xùn)者可以真實(shí)地完成標(biāo)準(zhǔn)化操作模擬和事故應(yīng)急虛擬演練，以提高加油站員工虛擬培訓(xùn)的真實(shí)性和培訓(xùn)效果。
文檔編號(hào)G09B9/00GK102930753SQ20121039472
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者王春, 袁紀(jì)武, 翟良云, 李磊, 劉剛, 孫春媛, 毛文鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院