沉浸式虚拟环境及其在变电站仿真中的应用

摘要

虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域，是一系列高新技术的汇集。它能给用户更逼真的体验，为人们探索宏观世界和微观世界提供了极大的便利。本文研究了由数据手套和位置跟踪器构建的沉浸式虚拟环境中基于虚拟手的人机交互的关键技术，以及在变电站仿真系统中的应用。 本文着重研究了沉浸式虚拟环境的概念，特点和沉浸式虚拟环境中人机交互的关键技术，尤其是基于虚拟手的人机交互。紧接着根据人手的骨骼结构和手部运动的约束条件，利用3DS MAx进行虚拟手的建模，概述了三维交互设备(数据手套和位置跟踪器)的原理、功能和关键算法等，实现了它们与计算机之间的串行通信。从超声定位和惯性导航角度分析了有关人的跟踪算法。研究了虚拟手各关节数据的获取和设置，结合不同模式下手势的不同语义理解，设计了一个虚拟手的驱动算法，完成了基于虚拟手的实时人机交互系统，并且通过滤波算法保证交互任务的稳定性和精确性。最后介绍了变电站仿真虚拟环境的结构，场景组织和一些关键算法，实现了基于情景上下文语义理解的虚拟手交互过程，总结了将这项技术用于电力系统带来的便利和发展前景。 本文在windows环境下，基于VC2003.NET平台，运用OSG图形图像开发工具包和5DT Data，Glove数据手套、PCTracker位置跟踪器等交互设备，开发了一个基于数据手套和位置跟踪器的虚拟手交互平台，并将其应用于变电站仿真系统，突破了以往变电站仿真方面仅局限于巡视的现状，可以与其中的设备模型进行一定的交互，而多模式的情景上下文语义理解提高了系统的智能性，为电力系统的员工培训带来了极大的便利，具有深远的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景及来源

1.2虚拟现实技术概述

1.2.1虚拟现实的基本概念

1.2.2虚拟现实的基本特征

1.2.3虚拟现实的分类

1.2.4虚拟现实的关键技术

1.3虚拟现实的发展及研究现状

1.3.1虚拟现实的发展

1.3.2虚拟现实的研究现状

1.3.3虚拟现实的应用领域

1.4本文所做的工作

第2章沉浸式虚拟现实系统

2.1沉浸式VR系统概述

2.1.1沉浸式VR系统的基本概念

2.1.2沉浸式VR系统特点

2.2沉浸式VR系统中的人机交互

2.2.1人机交互的概念

2.2.2交互控制中的坐标变换公式

2.2.3沉浸式VR系统中基于虚拟手的人机交互原理

2.3本章小结

第3章沉浸式虚拟环境的多模式人机接口

3.1虚拟手模型的建立

3.1.1 3DS MAX

3.1.2手模型分析

3.1.3手部运动约束分析

3.2数据手套

3.2.1数据手套原理概述

3.2.2 5DT Data Glove的原理和功能

3.2.3 5DT数据手套与计算机之间的串行通信

3.3位置跟踪器

3.3.1位置跟踪器概述

3.3.2 PCTracker的原理和功能

3.3.3位置跟踪算法

3.3.4位置跟踪器与计算机之间的串行通信

3.4沉浸式虚拟环境中的人机交互技术

3.4.1手势识别与手势映射

3.4.2基于语义理解的三维交互

3.4.3虚拟手的稳定抓持

3.4.4虚拟手各关节数据的获取和设置

3.4.5虚拟手驱动算法设计

3.4.6位置跟踪器的滤波算法

3.5本章小结

第4章沉浸式虚拟环境在变电站仿真中的应用

4.1变电站仿真系统概述

4.1.1图形引擎和体系结构

4.1.2基于电气特性的场景组织

4.1.3电气设备模型的实时LOD算法

4.1.4基于情景上下文的碰撞检测算法

4.2虚拟手交互操作实例

4.2.1系统配置

4.2.2虚拟手交互平台介绍

4.2.3系统中的虚拟手手势模型

4.2.4系统中基于情景上下文的交互模式

4.2.5交互实例

4.3变电站仿真虚拟环境的应用和发展前景

4.3.1变电站仿真虚拟环境的应用

4.3.2变电站仿真虚拟环境的发展前景

4.4本章小结

第5章总结与展望

致谢

参考文献