一种基于可视范围的虚拟维修人体可达判定方法与流程

本发明涉及虚拟维修技术，尤其涉及一种虚拟维修人体可达的判断方法。

背景技术：

虚拟维修技术借助于产品电子样机，通过虚拟人在虚拟环境中的维修操作，实现对产品系统的全面分析，这种方式摆脱了维修性分析对实物样机的依赖，借助于产品的电子样机开展多轮、多方式、多过程的分析，大大降低了产品设计的成本，提高了产品设计工作的效率。在维修性设计分析工作实践中，可视和可达方面的设计问题往往占到产品维修性全部问题的七成左右，所以在虚拟维修分析中，最重要也是用户最为关注的两点是检验对象是否看见的“可视分析”和判断对象能否够得着的“可达分析”，因为这两点直接关系到设计产品能否“被看到和被修到”，及早发现和改进可视和可达的设计问题将极大地提升产品设计水平。

基于人的生理视野区域特性，如图1，人眼可视范围中最大视野范围为视线中心线上15度到40度，下15度到20度，左右15度到35度的椭圆形区，最佳视野范围为人的头部保持直立不动而只是眼球在转动时，视线中心线上下左右各15度的近似圆形区。虚拟维修中正是基于这一生理特征，建立可视锥进行维修可视性评价，可视锥法通过确定人眼生理视野区域，得到人眼视线的可视锥，根据维修部位在可视锥中的分布位置来对维修部位的可视性进行评价，一般地，当物体处于最佳视野范围内时认为对象可见。

类似地，基于人的肢节运动范围特性，将肢节能够触及最远端的点集合形成一个包络范围，以手部的可达区域为例，形成不规则球形的包络范围。虚拟维修中同样基于这一生理特征，构建肢节的可达范围进行维修可达性评价。一般地，当物体处于包络范围内时认为对象可达。

虚拟维修中的可视和可达分别基于“可视锥”和“可包络”的工具进行分析，通过对两个工具的分别调用，得到各自的分析结果，但在虚拟环境中，当物体处于最佳视野范围内时，并不能保证物体是可达的，这就需要再次调用可达分析工具。而考虑实际维修时，往往需要得知对象不仅能够可视还需要同时可达，这样才能更好地完成维修工作，这对虚拟维修中在同一时刻同时分析可视和可达的设计提出了要求，也就是说，如何设计合适的方法，在可视的同时判断该物体是否可达，这显然比分别调用两个工具来对可视和可达进行分析效率更高，而且能够更好地贴近工程实际。

技术实现要素：

为解决现有技术中无法在同一时刻同时分析可视和可达的存在的技术问题，本发明提供一种基于可视范围的虚拟维修人体可达判定方法，本发明方法基于人体可视和可达的基本生理特性，通过在虚拟环境中引入辅助平面，考虑对象在人眼最佳视野范围内填充满和未填充满两种情况，建立人眼最佳视野范围和最大可达范围的量化关联关系，在这一量化关联关系基础上，实现当物体处于人眼最佳视野范围时，同时对该物体是否可达作出判断。

为实现本发明的技术目的，本发明提供一种基于可视范围的虚拟维修人可达判定方法，包括：

建立虚拟人在虚拟环境中对虚拟物体进行维修操作的虚拟维修环境；

根据人眼最佳视野范围，设计在虚拟维修环境中的虚拟人的最佳视野范围；

判断虚拟人能否在其最佳视野范围看到所述虚拟物体；

根据虚拟人能否在其最佳视野范围看到所述虚拟物体的判断结果，确定虚拟物体是否可达。

其中，所述虚拟物体是待维修产品的电子样机。

其中，所述的确定虚拟物体是否可达包括：

在所述虚拟环境中构建辅助平面；

确定虚拟物体自身属性以及虚拟物体在辅助平面上的投影属性；

分析虚拟物体自身属性与虚拟物体在辅助平面上的投影属性之间的量化关联关系；

根据所述量化关联关系，确定虚拟物体可达或者不可达。

其中，所述的辅助平面是指与人眼视线正前方向的进行了网格化处理的垂直平面，或者与该视线成一定角度的进行了网格化处理的其他平面。

其中，所述虚拟物体自身属性是指虚拟物体以辅助平面中网格单位长度计算的自身截面积。

其中，虚拟物体在辅助平面上的投影属性是指虚拟物体在辅助平面上的投影面积。

其中，虚拟物体在辅助平面上的投影是指以虚拟人最佳视野范围对虚拟物体进行的投影。

其中，所描述的量化关联关系是虚拟物体的投影面积与虚拟物体自身截面积之比。

特别是，所述的根据所述量化关联关系确定虚拟物体可达或者不可达包括：

将虚拟物体的投影面积与虚拟物体自身截面积之比与预先用辅助对象确定的标准值进行比较；

若虚拟物体的投影面积与虚拟物体自身截面积之比大于预先用辅助对象确定的标准值，则确定虚拟物体可达；

若虚拟物体的投影面积与虚拟物体自身截面积小于预先用辅助对象确定的标准值，则确定虚拟物体可达。

尤其是，确定所述标准值的步骤包括：

在所述虚拟人与所述辅助平面之间放置辅助对象置，并将所述辅助对象置于虚拟人手最大可达位置的且平行于所述辅助平面的法平面上；

通过计算位于所述法平面上的辅助对象在所述辅助平面上的投影面积与所述辅助对象自身面积之比值，得到基础比值；

将所述基础比值或者所述基础比值与一个容差值之和作为所述标准值。

其中，辅助对象在所述辅助平面上的投影是指以虚拟人最佳视野范围对辅助对象进行的投影。

有益效果：

与现有的虚拟维修可视可达分析方法相比，该方法有如下的优点：

a)本发明借助于辅助平面，建立了虚拟环境中可视和可达的量化关联关系，使得两者之间在分析时不再独立；

b)本发明分析了虚拟环境中物体在最佳视野范围内填充满和未填充满两种情况，覆盖了可视可达分析的绝大多数情况；

c)本发明通过实测数据验证了辅助平面在固定位置时，不同对象的可视和可达在量化关联上的一致性；

d)本发明在物体可视的情况下，基于所得的可视和可达之间量化关联关系，同时判断物体是否可达，提高了虚拟维修分析工作的效率。

附图说明

图1是背景技术中所述的人的生理视野区域特性；

图2是本发明的基于可视范围的虚拟维修人体可达判定方法的流程图；

图3基于可视范围的虚拟维修人体可达判定方法原理框图；

图4辅助平面；

图5辅助标尺；

图6物体未充满最大视野范围时的辅助对象；

图7物体充满最大视野范围时的辅助对象；

图8固定辅助对象位置；

图9辅助标尺的1000mm处分析；

图10辅助标尺的2000mm-7000mm处分析；

图11最大视野范围内面积数据与基础面积数据；

图12实施例-物体在最佳视锥范围内两种情况的可达判断。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。但这些实施例仅限于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

图2是本发明提供的基于可视范围的虚拟维修人体可达判定方法的流程图，如图2所示，本发明提供的基于可视范围的虚拟维修人体可达判定方法包括：

步骤s101，建立虚拟人在虚拟环境中对虚拟物体进行维修操作的虚拟维修环境；

步骤s102，根据人眼最佳视野范围，设计在虚拟维修环境中的虚拟人的最佳视野范围；

步骤s103，判断虚拟人能否在其最佳视野范围看到所述虚拟物体；

步骤s104，根据虚拟人能否在其最佳视野范围看到所述虚拟物体的判断结果，确定虚拟物体是否可达。

进一步的，所述虚拟物体是待维修产品的电子样机。

进一步的，步骤104所述的确定虚拟物体是否可达包括：在所述虚拟环境中构建辅助平面；确定虚拟物体自身属性以及虚拟物体在辅助平面上的投影属性；分析虚拟物体自身属性与虚拟物体在辅助平面上的投影属性之间的量化关联关系；根据所述量化关联关系，确定虚拟物体可达或者不可达。

进一步的，所述辅助平面是指与人眼视线正前方向的进行了网格化处理的垂直平面，或者与该视线成一定角度的进行了网格化处理的其他平面。

进一步的，所述虚拟物体自身属性是指虚拟物体以辅助平面中网格单位长度计算的自身截面积。

进一步的，所述虚拟物体在辅助平面上的投影属性是指虚拟物体在辅助平面上的投影面积。

进一步的，所述虚拟物体在辅助平面上的投影是指以虚拟人最佳视野范围对虚拟物体进行的投影。

进一步的，所述描述的量化关联关系是虚拟物体的投影面积与虚拟物体自身截面积之比。

进一步的，所述的根据所述量化关联关系确定虚拟物体可达或者不可达包括：将虚拟物体的投影面积与虚拟物体自身截面积之比与预先用辅助对象确定的标准值进行比较；若虚拟物体的投影面积与虚拟物体自身截面积之比大于预先用辅助对象确定的标准值，则确定虚拟物体可达；若虚拟物体的投影面积与虚拟物体自身截面积小于预先用辅助对象确定的标准值，则确定虚拟物体可达。

进一步的，确定所述标准值的步骤包括：在所述虚拟人与所述辅助平面之间放置辅助对象置，并将所述辅助对象置于虚拟人手最大可达位置的且平行于所述辅助平面的法平面上；通过计算位于所述法平面上的辅助对象在所述辅助平面上的投影面积与所述辅助对象自身面积之比值，得到基础比值；将所述基础比值或者所述基础比值与一个容差值之和作为所述标准值。

进一步的，辅助对象在所述辅助平面上的投影是指以虚拟人最佳视野范围对辅助对象进行的投影。

如图4所示的本发明的基于可视范围的虚拟维修人体可达判定方法原理框图可以看出，本发明基于人体可视和可达的基本生理特性，通过在虚拟环境中引入辅助平面，考虑对象在人眼最佳视野范围内填充满和未填充满两种情况，建立人眼最佳视野范围和最大可达范围的量化关联关系，在这一量化关联关系基础上，实现当物体处于人眼最佳视野范围时，同时对该物体是否可达作出判断。

本发明的特点在于，本发明借助于辅助平面，建立了虚拟环境中可视和可达的量化关联关系，使得两者之间在分析时不再独立；且同时对虚拟环境中物体在最佳视野范围内填充满和未填充满两种情况进行了分析，覆盖了可视可达分析的绝大多数情况；本发明通过实测数据验证了辅助平面在固定位置时，不同对象的可视和可达在量化关联上的一致性；应用本发明方法实现了在物体可视的情况下，基于所得的可视和可达之间量化关联关系，同时判断物体是否可达，提高了虚拟维修分析工作的效率。

应用实施例

本实施例以泵为待维修产品的电子样机，依照实施例1的方法判断该电子样机是否在可视范围内可达。

1、构建辅助平面、辅助标尺和辅助对象

1.1构建辅助平面

建立100mm×100mm单位网格的平面，选取浅色网格线，以便于投影，辅助平面正垂直于人眼视线，如图4所示；

1.2构建辅助标尺

作人眼视线的延长线，以延长线和最大包络范围交点为原点，在延长线正方向上每隔1000mm作一刻度，共作7个标尺位置，如图5所示；

1.3构建辅助对象

物体未充满最大视野范围时：以100mm×100mm、200mm×200mm、300mm×300mm、400mm×400mm、500mm×500mm、600mm×600mm、700mm×700mm、800mm×800mm为横截面建立8个体对象，8个对象顶点共线、截面平行，以便于分析，如图6所示。

物体充满最大视野范围时：建立半径1400mm为横截面的体对象，如图7。

2、固定辅助对象位置，记录辅助对象的基础面积

将人体对象置于最大包络范围上，与人眼视线的延长线垂直，辅助对象置于人手最大可达位置的法平面上时，可以认为该对象能够可达的极限位置，该位置的数据是判断能否可达的边界值，如图8所示。

物体未充满最大视野范围时：将8个尺寸的辅助对象自身的面积记为基础面积(s1，s2，l，s8)。

物体充满最大视野范围时：将物体在最大视野范围内部分的自身面积记为基础面积(s9)。

3、获取辅助平面在同一标尺位置时，辅助平面上不同辅助对象在最大视野范围内的面积

将建立的辅助平面置于辅助标尺的1000mm上，如图9所示。

物体未充满最大视野范围时：分别记录辅助平面上8个尺寸的辅助对象在最大视野范围内的面积(s1-1，s2-1，l，s8-1)。

物体充满最大视野范围时：记录辅助平面上辅助对象在最大视野范围内的面积(s9-1)。

4、获取辅助平面在辅助标尺上其他位置时，辅助平面上不同辅助对象在最大视野范围内的面积

与步骤3相同，将建立的辅助平面置于辅助标尺的2000mm、3000mm、4000mm、5000mm、6000mm、7000mm上，辅助对象的位置不变，如图10所示。

物体未充满最大视野范围时：分别记录辅助平面上辅助对象在最大视野范围内的面积(s1-2，s2-2，l，s8-2)、(s1-3，s2-3，l，s8-3)、(s1-4，s2-4，l，s8-4)、(s1-5，s2-5，l，s8-5)、(s1-6，s2-6，l，s8-6)、(s1-7，s2-7，l，s8-7)。

物体充满最大视野范围时：记录辅助平面上辅助对象在最大视野范围内的面积(s9-2)、(s9-3)、(s9-4)、(s9-5)、(s9-6)、(s9-7)。

步骤3-4记录的面积数据如表1所示。

5、分析可视基础下可达数据之间的量化关联关系

分别将步骤3和步骤4的最大视野范围内面积数据与步骤2的基础面积数据作比，得到相应的比率值，如表2和表3，取每个标尺位置的比率平均值，绘制比率平均值的折线图，如图11所示，可以看出，当辅助平面在同一位置时，辅助对象填充满和未填充满最佳视锥范围两种情况的比率值非常接近，以此类推，当在不同位置设定辅助平面时，辅助对象在辅助平面上的投影面积和自身面积比率为一个相对固定值。

6、判断虚拟物体的指定位置可视时是否同时可达

以步骤5得到的量化关系为基础，可按照如下方法判断虚拟物体的指定位置是否可达。

一般化地处理，根据该比率值曲线，以曲线上各点数据α为基础，设定可接受的阈值范围[α-ε，α+ε]，当确定辅助平面的位置时，物体在辅助平面的投影面积和自身面积比率α′在曲线上方时，即α′＞α+ε，物体是可达的，反之，在曲线下方时，即α′＜α-ε，物体不可达。

如果判定物体的某一点是否可达时，可以作该点为圆心、平行于辅助平面的单位圆，其面积为s＝π·(δr)²，并通过计算获取单位圆在辅助平面的投影面积s′，该投影面积可设计合理的算法通过网格化、积分等方式获取，然后计算比率s′/s，进而判断该点是否可达。

如图12所示，以泵在最佳可视范围内的两种情况为例，判断两种情况下，泵是否同时。

(1).如图12中的a部分，判断泵身红圈内的点能否可达；

(2).如图12中的b部分，将辅助平面网格置于2000mm处；

(3).如图12中的c部分，以目标点为圆心，以r＝100mm为半径作单位圆，其面积为

s＝π·(δr)²＝πgl²＝3.1416

(4).如图12中的d部分，分别计算两种情况下，单位圆在辅助平面网格中的投影面积

s′1＝16.3，s′2＝133

(5).计算两种情况下比率，根据α2000＝14.3194作出可达判断

s′1/s＝16.3/3.1416＝5.1884＜14.3194，s′2/s＝133/3.1416＝42.3351＞14.3194

所以，图12中左侧情况不可达，右侧情况可达。通过手的包络球验证，如图12中的e部分，上述推理符合实际情况。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之类。