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虚拟现实交互控制视觉沉浸感关键技术的研究与实现

刘秀玲  
【摘要】: 分布式虚拟现实作为一种最强大的人机交互技术,目前已成为信息领域的研究热点之一,而视觉沉浸感是分布式虚拟现实系统设计的主要目标。传统的虚拟现实系统的视觉沉浸感主要集中在模型的精细程度、光照效果、纹理映射等静态场景上,随着分布式虚拟现实的发展,用户群越来越庞大,虚拟场景的复杂程度越来越高,虚拟现实环境与用户的交互越来越深入,影响视觉沉浸感的诸多分布式系统的动态问题也越来越明显。因此,提高分布式系统中的视觉沉浸感,尤其是大规模复杂场景与用户交互控制的视觉沉浸感,已经成为分布式虚拟现实系统的重要研究课题。 本文针对影响分布式虚拟现实系统交互控制视觉沉浸感的关键技术问题展开研究,主要包括分布式场景的视觉实时性和一致性、用户外设与虚拟场景的交互控制的准确性和实时性等方面。设计并实现了提高分布式虚拟现实系统智能交互控制视觉沉浸感的关键技术,并通过其与六自由度并联机器人运动平台的反馈控制研究,从视觉和感觉上显著增强了用户的沉浸感。 本论文的主要工作和创新如下: (1)提出并实现了新型混合P2P结构的分布式虚拟现实系统框架。将整个系统从逻辑上分为三层:集中式P2P网络结构、集中式P2P分组、结构化分布式P2P网络群。完成了网络服务平台、控制平台以及渲染节点这三类网络节点的设计和实现,提高了信息的传输速度,减少了视觉信息的延迟; (2)提出并实现了P2P网络结构下不同类型节点的渲染策略。对于同组节点提出了主从缓存渲染策略以满足同一场景的分块视觉一致性,对于同群节点采用了节点之间的一致性控制、设计了预测算法以满足多个用户之间的动态协同一致性,从而保证了用户视觉效果的一致性; (3)提出并实现了基于光线投射的蜂窝状空间分解碰撞检测算法。将碰撞检测转化为判断在下一帧中多面体蜂窝子空间内局部子多面体截面到对方阈值线的距离值与对方所设定阈值的大小的关系问题,从而完成任意多面体间的精细检测,提高了碰撞检测的速度,增强了视觉冲击力; (4)提出并实现了基于基准点的碰撞检测算法,通过扫描线求交运算和穿针引线式刨分空间多边形,将模型间的碰撞检测转化为基本几何特征对之间的碰撞检测,把碰撞精度精确到模型表面的某些点和区域,更适用于快速实时精确的交互控制系统,此算法将提高视觉效果的真实性; (5)建立了新型6-DOF并联机器人运动平台的动力学模型。针对新型6-DOF的结构特点求解系统的逆运动学问题,由拉格朗日算子得到平台的运动方程,并基于拉格朗日法建立6-DOF并联机构的动力学方程,进而针对模型在实际控制中的应用进行了简化处理。利用此模型完成与虚拟现实的反馈控制,将从视觉和感觉上进一步提高用户的沉浸感。


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