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        沉浸式虛擬環(huán)境在水電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

        2018-08-07 06:33:54張衛(wèi)君
        水電站機電技術(shù) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:虛擬環(huán)境水電虛擬現(xiàn)實

        張衛(wèi)君,邱 洋,薛 飛

        (北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京100038)

        0 引言

        隨著仿真建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真支撐平臺技術(shù)的發(fā)展,水電仿真技術(shù)也在不斷進步并廣泛應(yīng)用到水電技術(shù)人員培訓(xùn)考核鑒定與仿真研究中[1-3]。水電仿真培訓(xùn)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了基于實物模型的仿真系統(tǒng)、仿真機+盤臺設(shè)備仿真系統(tǒng)、全數(shù)字仿真培訓(xùn)系統(tǒng)3個不同階段,當(dāng)前,隨著沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展,水電仿真培訓(xùn)已進入到沉浸式三維虛擬現(xiàn)實仿真培訓(xùn)技術(shù)階段。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于水電仿真培訓(xùn),利用計算機模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬水電廠,提供受訓(xùn)學(xué)員關(guān)于電廠空間、環(huán)境特效、作業(yè)操作、設(shè)備控制等的模擬,讓學(xué)員如同身臨其境一般,提高培訓(xùn)的生動性、真實性、有效性[4]。

        虛擬現(xiàn)實技術(shù)涵蓋了桌面VR、沉浸式VR及增強現(xiàn)實(AR)。本文研究內(nèi)容是在OTS2000虛擬現(xiàn)實水電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研究及成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上,將多通道投影技術(shù)、基于MEMS傳感器的人體動作捕捉及虛擬人驅(qū)動技術(shù)、虛擬現(xiàn)實引擎技術(shù)應(yīng)用到水電仿真培訓(xùn)中,構(gòu)建一套沉浸式水電站虛擬環(huán)境,即沉浸式VR技術(shù)在OTS2000系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。通過創(chuàng)造個性化的虛擬培訓(xùn)環(huán)境及VR的交互式學(xué)習(xí)培訓(xùn)方式,可以實現(xiàn)趣味性與挑戰(zhàn)性并存的境界,參與者可完全投入其中。

        1 沉浸式環(huán)境硬件配置

        沉浸式水電廠運行仿真培訓(xùn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)配置如圖1,由立體弧形幕、3通道三維投影儀、穿戴式人體動作捕捉設(shè)備、3 D立體眼鏡、圖形工作站、信號采集工作站和交換機組成。

        圖1 硬件系統(tǒng)配置

        圖形工作站運行虛擬現(xiàn)實引擎,生成三維立體場景信號,經(jīng)融合軟件進行邊緣融合、曲面校正后,由圖形卡同步輸出3路視頻信號給投影儀,投射至大型立體弧形幕中。立體視頻輸出信號由虛擬現(xiàn)實引擎控制左右眼視角信號實現(xiàn),參與者通過佩戴快閃式立體3 D眼鏡,沉浸在高度逼真的水電站場景中,體驗水電站水機、電氣設(shè)備的正常、異常、事故狀態(tài)及其動作過程,進行設(shè)備虛擬巡視、檢查、漫游、操作及事故處理。

        采用基于MEMS的慣性運動捕捉系統(tǒng),實現(xiàn)人體運動數(shù)據(jù)采集。動捕節(jié)點利用9軸運動傳感器進行姿態(tài)計算,計算出的數(shù)據(jù)通過無線通信方式傳送給數(shù)據(jù)采集板,數(shù)據(jù)采集板與主機之間通過串口方式連接。通過實時捕捉和樣本識別來驅(qū)動虛擬人與虛擬場景的互動,參與人員通過虛擬人與虛擬的設(shè)備及場景的交互,還需要進行精確碰撞檢測并結(jié)合手勢判斷來實現(xiàn)。

        2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

        沉浸式虛擬現(xiàn)實平臺仿真功能實現(xiàn)基于OTS2000仿真系統(tǒng),虛擬現(xiàn)實平臺負責(zé)三維場景管理與顯示、三維交互、沉浸式交互設(shè)備接口,并與OTS2000系統(tǒng)的一體化接口實現(xiàn)互聯(lián)與互操作。Simu3D虛擬現(xiàn)實平臺體系結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[4]。

        圖2 Simu3D虛擬現(xiàn)實平臺體系結(jié)構(gòu)圖

        3 關(guān)鍵技術(shù)研究

        3.1 虛擬人的行為仿真

        虛擬人行為仿真包括虛擬人體模型的構(gòu)建、人的動作過程仿真、語言交流和面部表情等的仿真。在水電運行虛擬環(huán)境中的虛擬人行為主要有巡視行為和操作行為,巡視行為如站立、行走、蹲下等,操作行為如閥門、按鈕、把手、開關(guān)等操作。利用運動捕捉系統(tǒng)獲取的實訓(xùn)人員軌跡數(shù)據(jù),對虛擬人相應(yīng)關(guān)節(jié)進行驅(qū)動,通過對虛擬人關(guān)節(jié)的動作控制實現(xiàn)虛擬人動作,從而實現(xiàn)實訓(xùn)人員在虛擬水電運行場景中的各種運動及操作模擬(圖3)。

        3.2 水電運行場景中的人體動作識別

        沉浸式水電站場景中的人體動作識別包括人體靜態(tài)姿勢識別和人體動作序列識別。運動捕捉系統(tǒng)實時采集各關(guān)節(jié)點運動數(shù)據(jù),根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對肢體動作進行識別,如手部運動主要是指左右手的向左向右揮動、向前伸出、向上舉起等。我們通過這些手勢動作來和應(yīng)用程序進行交互,比如完成旋轉(zhuǎn)、點擊、調(diào)取菜單、確認等,識別流程如圖4所示。

        圖3 虛擬人行為仿真

        圖4 人體動作識別流程

        在水電運行場景中,動作大都是手臂和腿的運動,因此將手臂和腿作為特征提取的主要關(guān)節(jié)。根據(jù)手臂的坐標(biāo)、歐拉角和腿的歐拉角判斷出動作所屬區(qū)域,將樣本進行分層訓(xùn)練。根據(jù)人體骨骼特征提取出上身關(guān)節(jié)對應(yīng)的4維骨骼特征數(shù)據(jù)和6個關(guān)節(jié)在全局坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值以及4組歐拉角,一共使用34個特征描述人體關(guān)節(jié)的運動信息,采用主成分分析法對數(shù)據(jù)降維,求解特征值和特征向量。

        3.3 水電運行操作動作的語義映射

        在沉浸式水電運行仿真系統(tǒng)中,通過運動捕捉系統(tǒng)獲取的低延遲、高精確度的關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù),需要經(jīng)過動作識別,辨識為水電運行現(xiàn)場工作中的巡視、操作、驗電、設(shè)置圍欄、掛牌等操作。典型人體動作庫中包含幾百種人體動作,為了提高人機交互的實時性,我們不需要辨識全部的人體動作,而是選取典型操作定義一組人體交互的語義,辨識這些語義對應(yīng)的動作即可。我們預(yù)先定義沉浸式虛擬環(huán)境中的各種操作模式下的語義動作如下頁表1。

        我們通過設(shè)計一種支持優(yōu)先級混合的動作編排方法,能使虛擬人的動作控制更加靈活。多個動作同時發(fā)生時,設(shè)定每個動作權(quán)重來控制關(guān)鍵幀動畫變形系數(shù),以實現(xiàn)不同優(yōu)先級動作的同時渲染。在層次化骨骼建模方法的基礎(chǔ)上,建立動作關(guān)節(jié)點和骨骼模型相對應(yīng)的肢體關(guān)聯(lián)關(guān)系,設(shè)定關(guān)節(jié)的變形權(quán)重,通過對發(fā)生位移的關(guān)節(jié)點位置進行加權(quán)求和,從而計算出多個動作發(fā)生時關(guān)節(jié)點的新位置,實現(xiàn)多個動作的關(guān)鍵幀同時變形的效果。

        表1 虛擬人動作語義表

        4 結(jié)束語

        沉浸式虛擬環(huán)境水電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是在OTS2000三維虛擬現(xiàn)實仿真培訓(xùn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加多通道三維立體投影系統(tǒng)和人體動作捕捉設(shè)備,使受訓(xùn)者能完全置身于一個虛擬化的水電運行環(huán)境之中并與之交互,讓學(xué)員如同身臨其境一般,提高培訓(xùn)的生動性、真實性、有效性。

        本文研究的沉浸式虛擬平臺已成功開發(fā)并應(yīng)用于中國水科院自動化仿真實驗室虛擬現(xiàn)實項目建設(shè),其關(guān)鍵技術(shù)的研究成果和設(shè)備配置可推廣應(yīng)用于水電仿真培訓(xùn)建設(shè)項目中。

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