基于感知设备的虚拟现实互动系统研究与应用

摘要

虚拟现实综合多学科技术，与相关行业和领域相结合，改变了人机交互方式，开拓了全新的用户体验领域。近年来，随着计算机技术以及硬件条件的快速提升，交互技术得到迅猛发展。现有的虚拟现实互动系统过于单一，无法提供多环境下使用;原有的系统需要大量的传感器设备且成本较高;传统感知技术束缚性大，无法更自然的实现人机交互。
　　本论文通过对虚拟现实系统功能和性能需求分析，设计开发基于感知设备的虚拟现实互动系统。该系统不仅可以在多场景中使用，提高交互体验，而且降低系统应用成本，有助于推进相关行业进步，实现虚拟现实技术的应用和推广。研究的主要内容及成果如下:
　　(1)通过对现有系统的研究和实际的需求分析，将虚拟现实系统分成两种应用模式。为了保证虚拟现实系统的可靠性以及真实性，选择通过PC端实现沉浸式虚拟现实系统。利用移动智能设备实现增强式虚拟现实系统，为传统虚拟现实系统增加便捷性和多样性。两种虚拟现实模式相辅相成，提供不同的使用环境，建立一个完整的虚拟现实互动系统。
　　(2)针对增强式虚拟现实互动系统以及移动智能设备，本文提出一种帧标记跟踪注册技术。利用帧标记Frame Marker工作量小、方便调节大小以及便于移植的特点和优势，将识别卡和现实场景中内容融合。借助3ds Max完成对虚拟场景的建模、动画制作。在Vuforia引擎和Unity3D平台上，利用帧标记以及三维模型完成增强式虚拟现实功能。
　　(3)对于沉浸式虚拟现实互动系统，提出利用Leap Motion实现沉浸式虚拟现实系统的交互控制，从而彻底解放了人的双手，提高了用户体验感和真实感。通过对LeapMotion的原理以及手势采集进行分析，将Leap Motion与HTC Vive相结合的方式呈现沉浸式虚拟现实互动系统。
　　基于上述对虚拟现实和人机交互技术的研宄，完成虚拟现实互动系统的设计。通过增强式和沉浸式两种不同的应用模式，用户不仅可以感受到虚拟现实技术带来的真实感，也帮助用户不受时间和地点限制，提高认知效率。本文将系统应用到了铁路相关人员教育培训方面，便于铁路从业人员快速掌握铁路新的技术和设备。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究内容及论文结构

1．3．1 研究内容

1．3．2 论文结构

2 虚拟现实系统及相关技术

2．1 系统组成及分类

2．1．1 虚拟现实系统组成

2．1．2 虚拟现实系统分类

2．2 三维建模技术

2．2．1 几何建模技术

2．2．2 物理建模技术

2．2．3 行为建模技术

2．3 显示技术

2．3．1 双目视觉显示技术

2．3．2 增强式虚拟现实显示技术

2．4 三维注册技术

2．4．1 基于传感器注册技术

2．4．2 基于视觉注册技术

2．4．3 混合跟踪注册技术

2．5 本章小结

3 虚拟现实系统分析与设计

3．1 系统需求分析

3．1．1 系统功能需求

3．1．2 系统性能需求

3．2 系统总体框架设计

3．2．1 系统总体设计原则

3．2．2 系统总体框架

3．3 系统功能模块设计

3．3．1 增强式虚拟现实系统

3．3．2 沉浸式虚拟现实系统

3．4 本草小结

4 基于感知设备的交互操作研究

4．1 基于移动智能端的交互操作

4．1．1 利用Vuforia的跟踪注册技术

4．1．2 人机交互操作

4．2 基于Leap Motion的交互操作

4．2．1 Leap Motion相关原理

4．2．2 Leap Motion手势识别技术研究

4．3 本章小结

5 虚拟现实互动系统实现

5．1 系统开发环境

5．1．1 增强式虚拟现实互动系统

5．1．2 沉浸式虚拟现实互动系统

5．2 增强式虚拟现实互动系统实现

5．2．1 三维虚拟场景建模

5．2．2 增强式虚拟现实

5．2．3 移动端交互操作

5．3 沉浸式虚拟现实互动系统实现

5．3．1 三维虚拟场景建模

5．3．2 Leap Motion手势识别

5．3．3 人机交互控制

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果