专利名称：一种沉浸式虚拟现实仿真交互展示方法及其展示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种エ业机械行业的仿真技术，具体涉及ー种沉浸式虚拟现实仿真交互展示方法及其展示系统。
背景技术：
虚拟现实技木，简称(VR)，实现利用模拟技术产生ー个三维空间的虚拟世界，使用户通过视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身历其境一般，可以不受时间、空间、地理、大小的限制，去了解产品及物品的特点及工作原理。一般涉及机械、电子、控制、动力学等学科领域，尤其是，エ业机械行业，一直是ー个难以表达的行业，特别是大型机械机器等设备在展示、销售、维修、培训等各个方面都有很多不方便之处，复杂内部结构和操作流程，无论在施工、安装、操作过程中，对基础人员的培训上，或是市场销售上，都需要很好的展现 和表现，将虚拟现实技术应用于エ业仿真领域的模拟系统，适合任何エ业机械仿真，及虚拟工作原理。以其強大的物理实时计算功能，简便快捷的操作方式，为广大工业机械行业带来了科技实效的展示方法。在现有技术的虚拟仿真操作中，机器设备的部件只能用不同的顔色来区别，其缺点在于，例如金属的转轴只能是用灰色的圆柱形色块来表示，这很难让操作者对真实的机器有正确的认识，也出现了操作者在电脑上能操作，但是由于和真实机器设备差别太大，到了真实的机器上操作还是无法进行操作的尴尬局面。现有技术的机床加工仿真模拟无法以第一人称视角在加工环境中走动，只能以定点的方式通过旋转模型来达到观看不同角度的目的，因此不是真正意义上的三维仿真，不利于操作人员全面了解机械装备。但当前机械设备仿真采用组态、Flash、3D JPVisual Studio. NET等技术模拟操作和加工，主要存在三大问题。第一是机械机床设备的仿真视觉效果差交互能力弱，对机械机床的整体和部件操作上几乎为零。例如无法对机械机床的配电箱、控制屏幕吊臂等设备进行操作。只能通过ー个ニ维的操作面板来操作机械机床的运行。第二个主要问题，由于没有采用图形加速和特效技木，画面操作缓慢，没有灯光、阴影等基本环境设置缺少真实感，同时无法表现エ件加工时的水、气、火花等方面的模拟。第三点是，エ件加工整体环境的模拟无法体现。例如ー个大型エ件，放在操作台之前的吊装过程，或者电动(手动)推车的送料过程都无法模拟。
发明内容
本发明公开了ー种沉浸式虚拟现实仿真交互展示方法及其展示系统，可模拟大型设备的模拟操作、加工环境及其工作状态，并对仿真模型进行真实化处理，让用户有身临其境的操作感受。为实现上述目的，本发明说明了一种沉浸式虚拟现实仿真交互展示系统，其特点是，该系统包含控制模块，与该控制模块双向电路连接的数据处理模块和存储模块，与该控制模块的输入端电路连接的仿真操作输入模块，与该控制模块的输出端电路连接的仿真显示模块，以及与该数据处理模块的输入端电路连接的数据采集模块。一种沉浸式虚拟现实仿真交互展示方法，其特点是，该方法包含以下步骤
步骤I数据采集模块进行现场数据采集，并发送至数据处理模块；
步骤2数据处理模块对模型数据进行加工处理；
步骤2. I数据处理模块建立机械设备的三维模型；
步骤2. 2数据处理模块对三维模型不必要的部分进行优化和删除；
步骤2. 3数据处理模块对模型的材质和灯光进行真实化处理；
步骤3系统实现人机交互；
步骤3. I仿真显示模块显示仿真模型；
步骤3. 2通过仿真操作输入模块进行指令输入，进行模拟操作。上述的步骤3. I中，所述的仿真显示模块可采用三维立体显示装置。本发明ー种沉浸式虚拟现实仿真交互展示方法及其展示系统与现有技术相比，其优点在于，本发明通过和真实设备的照片比对，对三维模型进行材质、色彩、灯光方面的处理，得到了与真实世界中一模ー样的三维物体，三维模型可以呈现出与真实设备一模ー样的效果，从而使操作者操纵虚拟设备和操作真实设备同样的感受，再也不会出现能在电脑上虚拟操作，而真实操作中找不到哪对应哪的尴尬现象；
本发明加入了立体显示技术，设有三维立体显示装置在我们的程序中加入两台相机来模拟人的左右两只眼睛，佩戴立体眼镜后让用户有身临其境的操作感受，可以在模拟加工的过程中更好的把握和体验物体的深度，突破了之前仿真的平面化；
本发明适用性大，可以模拟机床机械等大型设备的模拟操作、加工环境及其工作状态，不仅可以应用于制造企业中，对数控加工程序进行快速、精确的仿真，验证数控程序的可靠性，防止干渉和碰撞等情况的发生，而且还可以用做数控技术操作技能的教学培训，既可以使受训人员达到实物操作训练的目的，又可以大幅减少昂贵设备的投入，具有很高的应用价值，在销售、培训、售后方面大大节省成本；
本发明通过沉浸式全过程的虚拟仿真，用户可以体验到打开电源、エ件装入、模拟加工到エ件完成加工，退出エ件的全部过程。解决了之前仿真系统只有机床操作的部分，没有整个加工流程的体验，和加工环境的体验。通过沉浸式的模拟体验也摆脱了之前机床仿真伪三维体验；
本发明通过对水、气体和火花的模拟，体现出在加工中可能出现的安全问题。例如在之前的虚拟仿真加工中没有对自然现象的模拟，在没有舱门的机床中产生的火花但无法表现，因此和实际真实的操作有很大出入，操作者无法在ー个安全的范围内进行加工。通过沉浸式的模拟仿真系统，就可以模拟出水、火花等喷射的距离，从而在ー个安全范围内完成作业；
本发明对三维模型中不必要的部分进行优化和删除，使的系统运行中互动性更强、压缩比更高、运算速度更快。
图I为本发明一种沉浸式虚拟现实仿真交互展示系统的结构模块图；图2为本发明一种沉浸式虚拟现实仿真交互展示方法的方法流程图。
具体实施例方式以下结合
本发明的具体实施方式
。本发明说明了一种沉浸式虚拟现实仿真交互展示的实现方法，下述说明本发明适用的一种沉浸式虚拟现实仿真交互展示系统，该系统包含数据采集模块4、数据处理模块
2、仿真操作输入模块5、仿真显示模块6、存储模块3和控制模块I。上述的控制模块与数据处理模块及存储模块双向电路连接，该数据处理模块与数据采集模块双向电路连接。仿真操作输入模块电路连接控制模块的输入端，仿真显示模块电路连接控制模块的输出端。
如图I所示，本发明说明了一种沉浸式虚拟现实仿真交互展示的实现方法，该方法包含以下步骤
步骤I数据采集模块4进行现场数据采集。对エ业设备的前期资料收集(例如机床设备、挖掘机、铣削机等大型设备)包括机器外观尺寸、内部结构、技术參数、操作过程、加工过程、等信息进行了解，这些信息的类型包括了エ业设备的三维模型文件、照片图片、视频资料、声音文件、和操作文档说明。数据采集模块4将上述的现场设备的信息传输至数据处理模块2。步骤2数据处理模块2对模型数据进行加工处理。步骤2. I数据处理模块2接收数据采集模块4传输来的现场设备的信息，根据该信息建立机械设备的最原始的完全真实还原现场机械设备的三维模型。数据处理模块2直接建立的三维模型是不能直接进行虚拟仿真操作的，因为数据量巨大而且是基于曲面的，因此无法快速的展示在操作者的面前。因此必须对前期的三维模型进行优化，減少模型的面的数量。步骤2. 2数据处理模块2对三维模型不必要的部分进行删除和优化，删除处理包含例如对于机床类型的模型把看不见的电机、传动装置、螺钉螺丝等内部无需模拟操作的部分进行删除，保留需要人机交互操作的部分如控制面板、配电箱、操作手柄等设备，这样处理可以大大提供虚拟仿真的操作速度。优化处理包含比如一个机械设备外观看起来比较流线型，这样的比较圆滑的流线型模型需要更多的计算量来表现，因此优化时，数据处理模块2把圆滑的曲面的模型用，分段的多边形来表示，这样对模拟的速度可以大大的提高。步骤2. 3数据处理模块2对三维模型的材质和灯光进行真实化处理。通过和真实设备的照片比对，对三维模型进行材质、色彩、灯光方面的处理。例如，实施操作中，在表现不锈钢的主轴是，就把真实的照片应用在三维模型上，同时把不锈钢的反射计算出来也应用的三维模型上，怎样就得到了与真实世界中一模ー样的三维物体。除此之外，把灯光效果通过图片映射到方法投射到三维模型上面，这样通过材质和灯光的真实化处理后，三维模型可以呈现出与真实设备一模ー样的效果，从而使用户操纵虚拟设备和操作真实设备同样的感受，再也不会出现能在电脑上虚拟操作，而真实操作中找不到哪对应哪的尴尬现象。用户可以完全达到与现实操作的一模ー样的体验，配合立体眼镜等外部设备，完全达到了正在意义上的仿真。解决了之前机床机械等大型设备仿真系统的只有简单的三维示意模型动作的不足。同时通过沉浸式的交互，可以操作设备上任何零部件，比如可以打开配电柜进行机床内部结构和细节的详细查看，除了在教学中的应用外，应用在销售中，可以大大增加客户对机床的内部了解。控制模块I将经过数据处理模块2建立和优化的三维模型传输至存储模块3保存。步骤3沉浸式虚拟现实仿真交互展示系统实现人机交互。步骤3. I仿真显示模块6显示仿真模型。控制模块I将存储于存储模块3中的三维模型传输至仿真显示模块6，通过仿真显示模块6显示仿真的三维模型。同时仿真显示模块6还显示该仿真设备的相关參数，如外观尺寸、加工能力、主轴转速等方面的信息。另外，本发明沉浸式虚拟现实仿真交互展示系统的ー个重要特色是支持立体眼镜。为了让操作者能够最大限度的体验到与真实机械设备一祥的操作感受，本发明仿真显示模块6显示的三维模型中可产生三维立体影像。图象中设定了红蓝两个不同的顔色，这样用户在操作时带上红蓝的立体眼镜就产生了立体的效果。最大限度让用户感受到了与真实操作ー样的感受。 步骤3. 2通过仿真操作输入模块5进行指令输入，进行沉浸式人机互动模拟操作。用户通过仿真操作输入模块5发送指令，仿真操作输入模块5将指令传输至控制模块1，控制模块I根据具体指令，从存储模块3中提取相应的信息或在仿真显示模块6上显示三维模型的各部位。例如，当用户通过仿真操作输入模块5启动仿真设备的三维模型，控制模块I从存储模块3中提取该设备启动的声音文件和动作，比如机器启动的声音，马达开始以每分钟3000转的速度转动。或者，当用户通过仿真操作输入模块5输入仿真设备的エ件平台的三维模型X轴向移动的指令，控制模块I根据具体指令，控制仿真显示模块6显示该设备的三维模型的エ件平台就会在X轴向移动。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种沉浸式虚拟现实仿真交互展示系统，其特征在干，该系统包含控制模块(I)，与所述的控制模块(I)双向电路连接的数据处理模块(2)和存储模块(3)，与所述的控制模块(O的输入端电路连接的仿真操作输入模块(5)，与所述的控制模块(I)的输出端电路连接的仿真显示模块(6)，以及与所述的数据处理模块(2)的输入端电路连接的数据采集模块(4)。
2.一种沉浸式虚拟现实仿真交互展示方法，其特征在于，该方法包含以下步骤 步骤I数据采集模块(4)进行现场数据采集，并发送至数据处理模块(2)； 步骤2数据处理模块(2)对模型数据进行加工处理； 步骤3系统实现人机交互。
3.如权利要求2所述的沉浸式虚拟现实仿真交互展示方法其特征在干，所述的步骤2还包含以下步骤 步骤2. I数据处理模块(2)建立机械设备的三维模型； 步骤2. 2数据处理模块(2)对三维模型不必要的部分进行优化和删除； 步骤2. 3数据处理模块(2)对模型的材质和灯光进行真实化处理。
4.如权利要求2所述的沉浸式虚拟现实仿真交互展示方法其特征在干，所述的步骤3还包含以下步骤 步骤3. I仿真显示模块(6)显示仿真模型； 步骤3. 2通过仿真操作输入模块(5)进行指令输入，进行模拟操作。
5.如权利要求4所述的沉浸式虚拟现实仿真交互展示方法其特征在干，所述的步骤3.I中，所述的仿真显示模块(6)可采用三维立体显示装置。
全文摘要
本发明说明了一种沉浸式虚拟现实仿真交互展示方法，该方法包含以下步骤1、数据采集模块进行现场数据采集；2、数据处理模块对模型数据进行加工处理；3、系统实现人机交互。本发明真实模拟机械设备，从而使操作者操纵虚拟设备和操作真实设备同样的感受，再也不会出现能在电脑上虚拟操作，而真实操作中找不到哪对应哪的尴尬现象，同时不用现场操作和学习机械操作，在销售、培训、售后方面大大节省成本。
文档编号G05B17/02GK102722106SQ20111007640
公开日2012年10月10日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者王舒娟, 邵煜 申请人:上海晟昊信息科技有限公司