汽车内饰人机功效评估增强现实系统关键技术研究

摘要

在产品设计、开发过程中,产品是否符合人机工效学要求是影响产品开发周期和成本的重要因素之一,也是一个新产品可否得到用户认可的一个至关重要的因素。最初的人机工效学分析是通过开发出实物样机,进行反复评价和优化,直到符合要求,然而制作样机需要较长的时间和较高的成本。随着技术的发展,出现了虚拟仿真技术,通过三维仿真人模型与虚拟产品进行交互,实现产品的人机工效学分析,然而建立逼真的虚拟场景模型需要花费很长时间,并且人体三维模型不够真实。本文利用增强现实技术,把虚拟物体精确的叠加在真实物体上,设计者可以直接参与产品设计的人机功效分析,使得评价过程能得到真实的感知与体验。在深入分析增强现实技术、人机功效评估的研究现状、特点及汽车内饰评估应用现状的基础上,提出采用增强现实技术在产品设计阶段交互的对产品进行人机工效学评估的方案,并对其中的增强现实关键技术进行研究,最终开发了汽车内饰人机工效学分析的原型系统,为汽车内饰评估提供一个新型有效的工具。首先,结合人机功效学方法,分析了在增强现实技术在汽车内饰评估的实际应用,以及基于眼椭圆的对驾驶前方视野的可见性和仪表盘可见性的人机功效分析,提出了采用增强现实系统对汽车内饰可及性进行评估的总体实现方案。其次,对基于视觉的增强现实技术进行了深入的研究,建立了相机图像数据采集接口,建立了相机内部参数、畸变参数的标定方法和标定算法,并设计了相应的标定台对相机参数进行标定,设计了适合增强现实系统的图像处理的基本算法;并基于相机的小孔成像原理,建立了基于标记物Marker的虚实物体注册计算模型,实现了基于视觉的增强现实物体注册。再次,分析人机工效学评估增强现实的具体要求,提出并实现了采用多相机与光学位置注册的混合注册技术。通过光学位置跟踪器快速、准确的跟踪真实空间物体位置,从而提高注册的精度,和系统的实时性。最后,在上述方法与技术研究的基础上,集成项目组已有成果“应用系统开发通用虚拟现实软件平台(VR Flier)”,开发了静态驾驶环境下基于增强现实的人机功效评估原型系统,并对汽车内饰操作可及性和视野可见性的人机功效评估进行了应用示范,验证了本文所述方法和算法的正确性与有效性。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 增强现实技术研究及其应用现状

1.2.2 汽车内饰设计人机工程评估的研究现状

1.2.3 研究现状总结与目前存在的问题

1.3 论文的研究意义和内容

1.3.1 项目背景和目的

1.3.2 研究意义

1.3.3 研究内容以及其关系

1.4 论文章节安排

第二章 基于AR 技术的汽车内饰人机功效评估总体方案

2.1 汽车内饰人机功效评估概述

2.2 汽车内饰操作可及性评估

2.3 汽车内饰视觉可见性评估

2.4 基于AR 技术的汽车内饰人机功效评估总体方案

2.5 基于AR 技术的人机功效评估的优点

第三章 基于视觉的增强现实相机标定技术

3.1 相机参数标定简述

3.2 相机参数标定

3.2.1 畸变参数标定

3.2.2 内部参数标定

3.3 相机参数标定台

3.3.1 标定台设计

3.3.2 标定台机械误差对相机参数的影响

3.4 本章小结

第四章 基于视觉和光学跟踪的增强现实注册技术

4.1 增强现实系统的虚实物体注册技术概述

4.2 基于平面标记物Marker 的增强现实注册技术

4.2.1 Marker 制作以及对应文件生成

4.2.2 Marker 真实图像特征提取

4.2.3 Marker 空间位置计算

4.3 基于光学跟踪器的增强现实注册技术

4.4 基于视觉和光学的混合跟踪技术

4.4.1 多相机的混合跟踪

4.4.2 多相机与光学位置跟踪器的混合跟踪

4.5 本章小结

第五章 原型系统开发与应用

5.1 ARPEAS 系统概述

5.1.1 ARPEAS 与VRFlier

5.1.2 ARPEAS 的开发环境

5.2 ARPEAS 系统设计

5.2.1 ARPEAS 硬件系统描述

5.2.2 ARPEAS 系统功能描述

5.2.3 系统结构和模块划分

5.3 ARPEAS 系统在汽车内饰人机功效评估应用验证

第六章 总结与展望

6.1 本文研究工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表或录用的论文

攻读硕士学位期间参加的项目

上海交通大学硕士学位论文答辩决议书