[发明专利]一种沉浸式虚拟现实维修与培训仿真系统

权利要求书

1.一种沉浸式虚拟现实维修与培训仿真系统，其特征在于包括：位置跟踪子系统、三维模型数据库、节点管理子系统、节点渲染子系统、投影子系统；

三维模型数据库，存储三维模型数据，并将三维模型供节点管理子系统调用；

位置跟踪子系统，获取使用者的空间位置信息，并将该信息输出到节点管理子系统；所述的空间位置信息包括使用者的头部眼点位置和手部操作信息；

节点管理子系统，从三维模型数据库中读取三维模型，将三维模型传递给节点渲染子系统，并将位置跟踪子系统提供的使用者的头部眼点位置和手部操作信息，发送到节点渲染子系统；

节点渲染子系统，在预设的显示范围内，将接收到的三维模型按照三维模型的左、中、右、下四个部分进行渲染，渲染后的图像发送到投影子系统显示，从而使使用者看到整个虚拟的三维模型；节点渲染子系统，根据接收到的使用者的头部眼点位置和手部操作信息，得到人眼视野范围内应该显示的图像信息，将更新的图像发送至投影子系统；

投影子系统，接收节点渲染子系统发送的图像信息，并进行显示，使使用者看到更新后的三维模型图像。

2.根据权利要求1所述的一种沉浸式虚拟现实维修与培训仿真系统，其特征在于：所述的位置跟踪子系统包括位置处理主机、光学摄像机、跟踪刚体目标；

跟踪刚体目标，固定在使用者的主要关节、头部和眼睛附近；

光学摄像机发射红外光线，通过采集跟踪刚体目标反射的光线，将采集的数据传递给位置处理主机；

位置处理主机接收到数据之后，通过位置跟踪确定使用者的空间位置信息，并将空间位置信息传递给节点管理子系统。

3.根据权利要求1所述的一种沉浸式虚拟现实维修与培训仿真系统，其特征在于：所述的投影子系统包括四台立体投影机和四个显示屏幕；

四个显示屏幕分别呈现九十度，按照与使用者的位置，分别为左、中、右、下；四个投影屏幕同时投影虚拟场景的一部分图像，共同组成一个完整的虚拟环境。

4.根据权利要求2所述的一种沉浸式虚拟现实维修与培训仿真系统，其特征在于：所述的位置跟踪具体实现方式如下：

(1)确定各参考点位置；参考点为光学摄像机的空间位置，本实施例中在使用者头顶上方左前、左后、右前、右后四个位置各安装一个光学摄像机；

(2)获取K时刻各参考点到目标点和定位点瞬间距离；在初始时刻K，由光学摄像机发出红外光，定位点和目标点反射光线，由光学摄像机接收，将信息传递回位置处理主机，主机计算得出各参考点到目标点和定位点的瞬间距离；

(3)依据最大近似法获取K时刻目标点和定位点的空间坐标值；具体方式如下：

设三维空间的n(n≥4)个参考点的坐标系为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)…(x_n,y_n,z_n)，目标点或定位点的坐标X设为(x,y,z)，点X到第1个、第2个、…、第n个参考点的距离分别为d₁、d₁、…、d₁，则根据空间两点间距离公式有方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2=d_1^2\\ {(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2=d_2^2\\ ......\\ {(x_n-x)}^2+{(y_n-y)}^2+{(z_n-z)}^2=d_n^2\end{array}\right.$

上式中，从第一个方程开始分别减去最后一个方程并移项，可得非齐次线性方程组：

$\left\{\begin{array}{c}2(x_1-x_n)x+2(y_1-y_n)y+2(z_1-z_n)z=(x_1^2+y_1^2+z_1^2)-(x_n^2+y_n^2+z_n^2)-(d_1^2-d_n^2)\\ 2(x_2-x_n)x+2(y_2-y_n)y+2(z_2-z_n)z=(x_2^2+y_2^2+z_2^2)-(x_n^2+y_n^2+z_n^2)-(d_2^2-d_n^2)\\ ......\\ 2(x_{n-1}-x_n)x+2(y_{n-1}-y_n)y+2(z_{n-1}-z_n)z=(x_{n-1}^2+y_{n-1}^2+z_{n-1}^2)-(x_n^2+y_n^2+z_n^2)-(d_{n-1}^2-d_n^2)\end{array}\right.$

上式可表示为AX＝b

其中

$A=\left|\begin{array}{ccc}2(x_1-x_n)& 2(y_1-y_n)& 2(z_1-z_n)\\ 2(x_2-x_n)& 2(y_2-y_n)& 2(z_2-z_n)\\ ......& & \\ 2(x_{n-1}-x_n)& 2(y_{n-1}-y_n)& 2(z_{n-1}-z_n)\end{array}\right|$

$b=\left|\begin{array}{c}(x_1^2+y_1^2+z_1^2)-(x_n^2+y_n^2+z_n^2)-(d_1^2-d_n^2)\\ (x_2^2+y_2^2+z_2^2)-(x_n^2+y_n^2+z_n^2)-(d_2^2-d_n^2)\\ ......\\ (x_{n-1}^2+y_{n-1}^2+z_{n-1}^2)-(x_n^2+y_n^2+z_n^2)-(d_{n-1}^2-d_n^2)\end{array}\right|$

则可得目标点或定位点X的坐标为：

$\hat{X}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}b;$

(4)进行时刻更新：K＝K+i，i＝i+t，t表示一个采样间隔时间，初始时刻i＝0；

(5)在K时刻，依据最大近似法获取K时刻目标点和定位点的空间坐标值；

(6)判断步骤(5)得到的定位点位置相对于步骤(3)中得到的定位点位置是否发生变化，若未发生变化，进行步骤(7)，若发生了变化，则认为目标点发生平移，进入步骤(10)；

(7)判断步骤(5)得到的目标点位置相对于步骤(3)中得到的目标点位置是否发生变化，若未发生变化，则认为目标点未发生旋转或平移，进入步骤(12)，若发生了变化，则认为目标点绕定位矢量坐标轴发生了旋转，进入步骤(8)；

(8)根据目标点的位置和定位矢量坐标轴，计算目标点绕定位矢量坐标轴旋转的角度；

(9)更新绕定位轴发生旋转后的目标点位置信息，进入步骤(12)；

(10)根据目标点位置和定位矢量坐标轴，计算目标点沿三个坐标轴平移的距离；

(11)更新目标点位置信息；

(12)判断使用者是否继续使用系统，若使用则进入步骤(4)进入下一时刻，否则结束系统。