[发明专利]一种基于眼动跟踪的沉浸式流场可视化人机交互方法

说明书

本发明提供了一种基于眼动跟踪的沉浸式流场可视化人机交互方法，通过眼动仪与VR头盔相结合进行人机交互，包括：步骤1、获取眼球注视方向向量与头盔旋转信息，将眼注视方向变换到世界坐标系下；步骤2、对世界坐标系下的眼球注视方向依次进行眼动校准以及眼动去抖；步骤3、根据VR头盔获取头盔凝视方向向量，将头盔凝视方向指向目标对象，判断眼动去抖后的眼球注视方向是否与头盔凝视方向相同，不同则移动视线进入步骤1；相同则触发交互操作，完成交互。本发明能够快速且随着使用不断优化的完成眼动校准；同时能够实现不同状态下的眼动跟踪去抖，提高交互沉浸感；仅依靠眼睛和头部转动就能完成人机交互中的交互确认操作，降低误操作率。

技术领域

本发明涉及交互式流场可视化领域，特别涉及一种基于眼动跟踪的沉浸式流场可视化人机交互方法。

背景技术

在高度沉浸式的虚拟现实环境中,为了获得更加自然的沉浸感、友好的人机交互，用户可以使用眼睛、耳朵、皮肤、手势、语言等多种方式实现人机交互。眼动跟踪就是一种使用眼睛实现人机交互的重要方法，目前有着广泛的研究与应用。

流场可视化作为面向计算流体动力学（CFD）的科学计算可视化技术，是科学计算可视化研究和CFD研究的一个重要部分，流场可视化借助计算机图形学、数据挖掘和人机交互理论，将描绘流场运动轨迹的多变量、多维度、多源、多模态物理量数据以图形图像的形式直观呈现出来，并借助交互式图形系统，从大量纷繁复杂的数据中提取有价值的信息，帮助研究人员分析和理解复杂的流场流动机理，洞察流场物理现象并发现流动科学规律，为数值模拟计算和重大工程提供意见指导和决策依据。

虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。虚拟现实技术在流场可视化中的应用研究开始于上世纪90年代，但受制于当时硬件的性能与成本问题其应用范围一直较小，随着虚拟现实技术与流场可视化技术的并行发展，尤其是2015年以来头戴式虚拟现实设备技术的逐步成熟，在虚拟现实环境下对流场数据进行可视化的方法正逐渐被广泛运用。沉浸式虚拟环境下的流场可视化与传统显示方式下的流场可视化相比，沉浸式分析以虚拟现实环境为呈现平台，通过多感官呈现、分析数据物理化、自然人机交互和直觉反馈分析等技术特点为用户构建高沉浸度的数据分析环境，在空间沉浸感、用户参与度、多维感知等方面具有显著优势。

眼动跟踪是一种使用眼睛实现人机交互的重要方法，它利用专业设备采集、记录、分析用户视线，从而获得用户视觉的关注点。根据不同的眼动跟踪原理可以分为三类：一是根据眼球和眼球周边的特征变化进行跟踪，二是根据虹膜角度变化进行跟踪，三是主动投射红外线等光束到虹膜来提取特征。通过上述方法实时追踪眼睛的变化，预测用户的视觉状态和需求并进行响应，达到用眼睛控制设备的目的。眼球追踪技术在人机交互领域有着较为广泛的研究与应用。

但是沉浸式环境下流场可视化分析存在许多诸如参数配置、微小部件选取等精细的人机交互操作，使得现有的眼动交互技术用于沉浸式环境下流场可视化人机交互还存在如下缺点：

（1）在广阔的流场空间内，眼动跟踪误差大，准确定位到目标耗时长。

（2）眼动交互确认时过于复杂且误操作率高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了一种基于眼动跟踪的沉浸式流场可视化人机交互方法，以解决沉浸式流场可视化分析过程中应用眼动交互进行精细操作时存在的眼动校准、眼动去抖、眼动交互确认问题。本发明提出的方法能够在沉浸式流场可视化应用中实现快速且随着使用不断优化的眼动校准；同时能够根据各自特点兼顾低速注视及高速扫视两个状态下的眼动跟踪去抖，提高交互沉浸感；并且通过引入头盔凝视方法、设置交互保护规则，从而仅依靠眼睛和头部转动就能完成人机交互中的交互确认操作，降低误操作率。

本发明采用的技术方案如下：一种基于眼动跟踪的沉浸式流场可视化人机交互方法，通过眼动仪与VR头盔相结合进行人机交互，包括：