一種便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一種便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，具體涉及計算機(jī)技術(shù)中的三維虛擬展示及人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，并提供使用者與三維虛擬世界的交互手段，達(dá)到身臨其境的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于三維展示、模擬訓(xùn)練以及虛擬裝配等領(lǐng)域。
[0003]模擬訓(xùn)練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個重要課題，美國從80年代起一直致力于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究，用來對士兵和宇航員進(jìn)行任務(wù)訓(xùn)練；虛擬裝配廣泛應(yīng)用于航天器、航空器、汽車等領(lǐng)域，通過虛擬裝配可視化和仿真校驗(yàn)，可以確定產(chǎn)品裝配過程中最優(yōu)的裝配、拆卸和重組順序，校驗(yàn)和修改裝配流程，進(jìn)行裝配可行性、可制造性、可維護(hù)性分析。
[0004]目前，國內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)和組織在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面的研究工作，構(gòu)建了各式各樣的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。這些虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一般都采用高性能的圖形工作站生成三維虛擬場景，采用專業(yè)高清投影機(jī)進(jìn)行三維投影顯示，采用專用運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行位置跟蹤，能夠達(dá)到很逼真的效果和精確的位置追蹤。但也存在諸多問題:如體積龐大、占地面積大、成本昂貴、安裝施工復(fù)雜、不易進(jìn)行升級、移動拆裝困難等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，解決了三維立體顯示、三維人機(jī)交互等技術(shù)問題，具有高可靠性、高靈活性、高便攜性、低成本等優(yōu)點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療及工業(yè)部門的虛擬展示、虛擬裝配等眾多領(lǐng)域。
[0006]本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，包括圖形渲染計算機(jī)、偏振立體顯示器、微型運(yùn)動跟蹤器、微型操作筆和偏振立體眼鏡，其中:
[0008]圖形渲染計算機(jī):根據(jù)用戶需求采用三維圖形軟件加載三維場景，接收微型運(yùn)動跟蹤器跟蹤到的眼部位置和視線方向信息，根據(jù)眼部位置和視線方向信息實(shí)時計算生成左右眼立體圖像，并發(fā)送給偏振立體顯示器；接收微型操作筆發(fā)送的微型操作筆的位置、姿態(tài)信息，在三維場景中生成虛擬操作筆的圖像，同時接收微型操作筆發(fā)送的按鍵操作信息，驅(qū)動三維立體場景進(jìn)行響應(yīng)；
[0009]偏振立體顯示器:接收圖形渲染計算機(jī)發(fā)送的左右眼立體圖像，進(jìn)行偏振顯示；
[0010]微型運(yùn)動跟蹤器:產(chǎn)生紅外光經(jīng)偏振立體眼鏡上的紅外反光標(biāo)志點(diǎn)反射后成像，對所成圖像進(jìn)行處理得到眼部位置和視線方向信息，發(fā)送給圖形渲染計算機(jī)；
[0011]微型操作筆:將微型操作筆的位置和姿態(tài)信息發(fā)送給圖形渲染計算機(jī)，并將按鍵操作信息發(fā)送給圖形渲染計算機(jī)，通過按鍵操作三維場景中的物體；
[0012]偏振立體眼鏡:由虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的使用者佩戴，左右眼鏡片分別只允許偏振立體顯示器的左右眼圖像光線通過，從而產(chǎn)生立體效應(yīng)；設(shè)有紅外反光標(biāo)志點(diǎn)，對從微型運(yùn)動跟蹤器入射的紅外光進(jìn)行逆反射，配合微型運(yùn)動跟蹤器實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)位置的追蹤。
[0013]在上述便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，圖形渲染計算機(jī)根據(jù)眼部位置和視線方向信息實(shí)時計算生成左右眼立體圖像的具體方法如下:
[0014](I)、圖形渲染計算機(jī)在三維場景中建立左右眼虛擬攝像機(jī)，兩個虛擬攝像機(jī)之間的距離為人左右兩眼之間的瞳距；
[0015](2)、圖形渲染計算機(jī)根據(jù)眼部位置和視線方向信息驅(qū)動兩個虛擬攝像機(jī)在三維場景中的位置和姿態(tài)，根據(jù)所述位置和姿態(tài)對兩個虛擬攝像機(jī)進(jìn)行虛擬成像，即將三維場景分別向兩個虛擬攝像機(jī)平面進(jìn)行透視投影，生成可以產(chǎn)生立體效應(yīng)的左右眼圖像。
[0016]在上述便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，圖形渲染計算機(jī)通過USB 口分別給微型運(yùn)動跟蹤器和微型操作筆供電。
[0017]在上述便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，當(dāng)三維場景中微型操作筆拾取的物體與其他物體發(fā)生干涉及碰撞情況時，圖形渲染計算機(jī)向微型操作筆發(fā)送碰撞提示信號。
[0018]在上述便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，微型運(yùn)動跟蹤器包括紅外發(fā)光源、兩個紅外攝像頭和內(nèi)置的微處理器電路，其中紅外發(fā)光源產(chǎn)生的紅外光經(jīng)偏振立體眼鏡上的紅外反光標(biāo)志點(diǎn)反射后進(jìn)入兩個紅外攝像頭成像，通過內(nèi)置的微處理器對所成圖像進(jìn)行處理，具體處理方法為:分別提取偏振立體眼鏡上紅外反光標(biāo)記點(diǎn)在兩個紅外攝像頭圖像中所成的高亮像點(diǎn)，利用雙目視覺原理計算出所述紅外反光標(biāo)記點(diǎn)的空間位置，將其中心位置作為眼部的位置，通過計算得到的所述紅外反光標(biāo)記點(diǎn)的空間位置擬合出偏振立體眼鏡所在平面，將平面法線方向作為視線方向。
[0019]在上述便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，微型運(yùn)動跟蹤器還包括夾持底座，通過夾持底座夾持在偏振立體顯示器上部。
[0020]在上述便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，微型操作筆的按鍵包括左中右鍵，且中鍵的按下和彈起狀態(tài)能夠保持；當(dāng)三維場景中虛擬操作筆的筆尖觸碰到三維場景中的物體時，按住微型操作筆的左鍵拾取該物體，此時用戶通過移動微型操作筆驅(qū)動三維場景中的虛擬操作筆抓取并移動該物體；按住微型操作筆的右鍵時彈出功能菜單，用戶通過移動微型操作筆，使用虛擬操作筆的筆尖選擇菜單項(xiàng)，并單擊左鍵選擇該項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)菜單項(xiàng)定義的功能；按下中鍵時，啟動力反饋功能，當(dāng)抓取的物體與環(huán)境中其他物體產(chǎn)生碰撞時，微型操作筆產(chǎn)生振動，振動的幅度與相對碰撞速度成正比。
[0021]在上述便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，微型操作筆除外部的按鍵外，內(nèi)部包括三軸MEMS加速度計、陀螺儀、磁力計器件和微處理器，其中微處理器接收三軸MEMS加速度計發(fā)送的三軸加速度、陀螺儀發(fā)送的角速率、磁力計器件發(fā)送的磁強(qiáng)信息，利用卡爾曼濾波算法得到微型操作筆的位置和姿態(tài)信息。
[0022]在上述便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，微型操作筆內(nèi)部還包括振動電機(jī)，當(dāng)通過微型操作筆拾取的三維場景中的物體與其他物體或環(huán)境發(fā)生碰撞時，根據(jù)圖形渲染計算機(jī)發(fā)來的碰撞提示信號驅(qū)動振動電機(jī)振動，達(dá)到力反饋的效果。
[0023]在上述便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，偏振立體眼鏡的四角及中間支撐梁上分別設(shè)有紅外反光標(biāo)志點(diǎn)，對各個方向入射的紅外光進(jìn)行逆反射。
[0024]在上述便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，偏振立體眼鏡的左鏡框與右鏡框外側(cè)的兩個角上各設(shè)置一個反光點(diǎn)，連接左右鏡框的橫梁中間位置設(shè)置一個反光點(diǎn)。
[0025]在上述便攜式可交互桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，偏振立體眼鏡的左右眼鏡片采用兩片偏振方向互相垂直的偏振片，分別只允許偏振立體顯示器的左右眼圖像光線通過。
[0026]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果:
[0027](I)、本發(fā)明虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相對于已有系統(tǒng)來講，不依賴于專用昂貴的圖形工作站、投影機(jī)、運(yùn)動追蹤器等硬件，實(shí)現(xiàn)了一套簡單易用的桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，具有高可靠性、高靈活性、高便攜性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療及工業(yè)部門的虛擬展示、虛擬裝配等眾多領(lǐng)域。
[0028](2)、本發(fā)明創(chuàng)新性的采用了偏振立體顯示器和偏振立體眼鏡進(jìn)行立體顯示，既降低了使用成本，又能達(dá)到比較好的顯示效果，相比于主動立體投影來說，偏振立體顯示能夠?qū)崿F(xiàn)“無閃爍”的影院級觀看效果。
[0029](3)、本發(fā)明發(fā)明采用能夠夾持在立體顯示器上的微型運(yùn)動跟蹤器加偏振立體眼鏡紅外反光標(biāo)記點(diǎn)的眼部運(yùn)動跟蹤方案，能夠大大減少環(huán)境光的干擾，提高跟蹤的準(zhǔn)確性和靈敏度，又節(jié)省了硬件開支；此外本發(fā)明對紅外反光標(biāo)記點(diǎn)在紅外反光標(biāo)記點(diǎn)的位置和數(shù)目優(yōu)化設(shè)計，對各個方向入射的紅外光具有很好的逆反射特性，從而配合微型運(yùn)動跟蹤器實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)位置