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增强半虚拟现实飞机座舱关键技术研究

作　者: 汤勇
导　师: 顾宏斌
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 飞行模拟器虚拟现实增强虚拟人机交互手势分割位置跟踪虚实注册虚实融合网格简化
分类号: TP391.9
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

相比于大型传统飞行模拟器，采用虚拟现实技术(VR)构建的飞行模拟器具有体积小巧，成本低，通用性强等优点，近年来发展迅速，应用前景广阔。由于技术和硬件设备限制，该类仿真设备也存在人机交互性能低，难以或者无法完成某些复杂座舱交互动作等缺点。为此本文提出并实现了一种增强半虚拟现实飞机座舱技术，以实现自然和谐的人-座舱交互。本文主要研究内容概括如下：1.增强半虚拟现实飞机座舱技术方案。针对现有虚拟现实飞行模拟器中存在三维模型手视觉效果不理想，电磁跟踪器设备定位信号易受干扰，触觉反馈不真实等问题，以基于图像建模和渲染的图像手取代几何模型手，通过视觉定位进行头部位置跟踪，设计半实物座舱保证用户触觉和力觉反馈，构建出一个具有真实视觉、触觉、力觉等的增强半虚拟现实飞机座舱环境。实验表明，本文交互方案比传统数据手套交互技术方案时间效率提高50%，而且也无需数据手套和电磁跟踪器等硬件设备，可明显降低软硬件开发成本并增强系统实用性。2.手势自适应分割与虚拟手可视化。针对手势分割过程中肤色检测易受干扰问题，利用视频相邻帧之间肤色像素的连续变化特性对椭圆肤色模型参数进行实时更新，实现最优参数估计以增强检测鲁棒性。为使手势轮廓更加精确平滑，将双边滤波算法引入到平面曲线平滑中，使手轮廓平滑同时能保持指尖等尖锐特征。为解决三维模型手视觉效果不佳问题，将手图像融合到虚拟环境中实现虚拟手可视化。融合过程中同时对手图像进行视点校正，实现虚实视点一致，为用户提供更加合理的视点图像。实验表明融合到虚拟环境中的虚拟手运动特性和视觉特性与真实手完全一致，用户沉浸感更强，更有利于交互动作的完成。3.基于正交摄像机的头部位置跟踪和虚实注册。为解决现有电磁跟踪器定位过程中易受外界环境干扰，成本高等问题，提出一种基于正交摄像机的定位方法，依据小孔成像原理进行坐标循环迭代，直至收敛到目标真实位置。对比实验表明正交定位系统收敛速度快，定位精度高，可满足虚拟现实系统中高精度头部位置跟踪要求。虚实注册过程中对多坐标系之间转换关系进行了理论推导和分析，择优选取测试数据，减小误差以满足交互需求。4.基于CAD数据的快速VR建模。三维几何建模是虚拟现实系统中的基础性工作，传统手工方式建模工作量大，并且模型尺寸精度难以保证。本文对从CAD数据中提取出的网格进行分类，并根据网格特点进行针对性简化，在二次误差量度(QEM)简化算法基础上，引入三角形紧致性代价作为新顶点生成准则对复杂网格进行简化。测试表明在相同简化率条件下，经本文算法简化后的三角形网格形状比QEM算法更合理，模型渲染质量更高，并且通过设定不同简化阈值就可生成具有多细节层次的VR模型。经本文方法生成的VR模型在面片数量简化90%情况下，几何外形和视觉基本无变化。本文最后通过构建实际的增强半虚拟现实飞机座舱系统，对该技术方案的可行性和人机交互性能进行了主客观测试。主观实验表明本文虚拟手视觉效果明显优于传统三维模型手，虚拟手外形特征（柔体变形和肤色纹理）与实际手完全一致，用户视觉真实感更强。客观实验测试发现本文方案完成交互动作时间比其他几种方案明显减少，人-座舱交互性能得到提升。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-17
第一章绪论  17-31
  1.1 引言  17
  1.2 虚拟现实技术  17-18
  1.3 混合现实技术  18-19
    1.3.1 增强现实与增强虚拟  18
    1.3.2 混合现实与虚拟现实区别  18-19
  1.4 虚拟现实技术典型应用  19-21
  1.5 虚拟现实技术在飞行模拟器中的应用  21-23
    1.5.1 飞行模拟器的发展历程  21-22
    1.5.2 飞行模拟器分类  22-23
  1.6 新技术飞行模拟器中人机交互方案  23-27
    1.6.1 基于数据手套的纯虚拟交互方案  23-24
    1.6.2 改进数据手套方案  24-25
    1.6.3 基于计算机视觉的人机交互  25
    1.6.4 混合现实方案  25-27
  1.7 本文研究内容和章节安排  27-31
    1.7.1 本文主要研究内容  27-28
    1.7.2 本文组织安排  28-31
第二章摄像机模型和标定  31-42
  2.1 摄像机成像原理  31-33
  2.2 摄像机标定  33-37
  2.3 立体校正  37-40
  2.4 实验与小结  40-42
第三章自适应手势分割与精确轮廓提取  42-58
  3.1 现有手势分割方法  42-43
  3.2 肤色空间及肤色模型  43-47
    3.2.1 肤色空间  43-45
    3.2.2 肤色模型  45-47
  3.3 肤色检测  47-51
    3.3.1 光照补偿和校正  47-48
    3.3.2 参数自适应更新  48-51
  3.4 轮廓检测与平滑  51-55
    3.4.1 形态学滤波与轮廓搜寻  51-53
    3.4.2 轮廓拟合平滑  53
    3.4.3 轮廓双边滤波平滑  53-55
  3.5 对比实验与小结  55-58
    3.5.1 实验  56-57
    3.5.2 小结  57-58
第四章虚实视点校正  58-71
  4.1 立体匹配  59-63
    4.1.1 自适应权值立体匹配算法  59-60
    4.1.2 算法改进  60-63
  4.2 左右视图校正  63-66
  4.3 前后视图校正  66-68
  4.4 实验和小结  68-71
    4.4.1 实验  68-70
    4.4.2 小结  70-71
第五章基于正交摄像机的位置跟踪与虚实注册  71-90
  5.1 基于正交摄像机目标位置检测  71-79
    5.1.1 正交定位系统结构及初始标定  71-73
    5.1.2 定位算法与收敛性分析  73-77
    5.1.3 算法精度实验测试  77-79
  5.2 头部位置姿态计算与滤波跟踪  79-84
    5.2.1 头部姿态计算  79-82
    5.2.2 卡尔曼滤波跟踪  82-84
  5.3 虚实注册  84-86
    5.3.1 虚实摄像机位置一致  84-85
    5.3.2 虚实摄像机内参一致  85-86
  5.4 虚实融合  86-88
  5.5 实验和小结  88-90
第六章基于 CAD 数据的高效 VR 几何建模  90-101
  6.1 国内外研究现状  90-91
  6.2 CAD 模型的几何数据读取  91
  6.3 网格分类简化  91-92
    6.3.1 网格分类简化意义  91-92
    6.3.2 网格分类的准则  92
  6.4 简化算法  92-98
    6.4.1 I 类网格面简化算法  92-93
    6.4.2 II 类网格面简化算法  93-94
    6.4.3 QEM 算法及其改进  94-96
    6.4.5 边界处理  96-98
    6.4.6 生成虚拟现实标准模型  98
  6.5 实验与小结  98-101
    6.5.1 对比实验  98-100
    6.5.2 小结  100-101
第七章系统集成及测试  101-109
  7.1 硬件系统  101-103
    7.1.1 系统硬件整体构成  101
    7.1.2 HMD 设备  101-102
    7.1.3 正交头部运动跟踪系统  102
    7.1.4 半虚拟现实座舱  102-103
    7.1.5 其他辅助实验设备  103
  7.2 系统软件设计  103-105
  7.3 实验与性能测试  105-108
    7.3.1 主观测试：可视化效果对比  105-106
    7.3.2 客观测试：交互时间对比实验  106-108
  7.4 小结  108-109
第八章总结和展望  109-112
  8.1 总结  109-110
  8.2 展望  110-112
参考文献  112-120
致谢  120-121
在学期间的研究成果及发表的学术论文  121-122

增强半虚拟现实飞机座舱关键技术研究

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