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大型模擬仿真多通道虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

簡介

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)是給用戶帶來沉浸感，通過提供立體可視化將用戶置身于一個虛擬環(huán)境中，但由于一些程序中用戶與虛擬環(huán)境的交互沒有完整的觸覺反饋系統(tǒng)，只強(qiáng)調(diào)視覺上的感知，缺乏用戶與虛擬環(huán)境的交互功能，結(jié)果達(dá)不到用戶的操作預(yù)期，由于這種缺陷用戶需要不斷地訓(xùn)練、學(xué)習(xí)沒有觸覺反饋情況下的操作。

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圖1：（左）室內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)示意圖（右）使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

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目前一個大型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的不僅要有視覺上的沉浸感，還要有觸覺上的反饋，這樣虛擬環(huán)境中所有必要的交互控制信息就可以被創(chuàng)建出來，此外，在大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支持下，視覺和觸覺上復(fù)雜的物理現(xiàn)象可以實(shí)時的模擬出來，

系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2，系統(tǒng)結(jié)果分為四個組件類型，系統(tǒng)的主要組件是計(jì)算單元，此組件負(fù)責(zé)處理來自輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)，還負(fù)責(zé)將坐標(biāo)信息傳到給其他組件，如所需的復(fù)雜場景模擬數(shù)據(jù)以及分布式高負(fù)載觸覺交互信息，因此，計(jì)算組件被分成三個子組件分別執(zhí)行不同的物理模擬任務(wù)，中央單元是控制整個數(shù)據(jù)流高性能工作站，另外兩個組件HPC和GPU集群協(xié)助工作站出來高負(fù)載計(jì)算數(shù)據(jù)。

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圖2

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觸覺裝置

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圖3

我們使用六自由度的Inca6D力反饋設(shè)備，它非常適合用于創(chuàng)建大型虛擬環(huán)境，通過一個被稱為末端執(zhí)行器的裝置將力和扭矩傳給用戶，這個設(shè)備附屬于一個由鋼纜組成的滑輪系統(tǒng)，可以在不同的末端執(zhí)行器之間交互基于仿真的需求。末端執(zhí)行器的鋼纜由支撐框架8個角落的馬達(dá)控制，在我們的設(shè)置中，我們使用的HAPTION末端執(zhí)行器非常適合我們的需求，末端執(zhí)行器可以抓取虛擬目標(biāo)，另一個可能的設(shè)置如圖4（左）所示，將末端執(zhí)行器作為一個腕帶使用，系統(tǒng)可以和數(shù)據(jù)手套（Cyberglove）圖4（右）一塊使用，從而可以完成完整的抓取動作，在這種情況下INCA對手腕施加反饋力，結(jié)合數(shù)據(jù)手套可以接觸控制一個完整的手部模型。

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圖4

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系統(tǒng)使用很細(xì)的鋼纜，其對投影的影響降很最低，這是非常重要的，在我們的案例中，由于空間限制不能采用背投（用于可視化），在我們當(dāng)前的設(shè)置中平均身高1.8米的用戶在其中工作，幾乎沒有任何阻礙。如圖1右側(cè)所示。