大型模擬仿真多通道虛擬現實系統

簡介

虛擬現實系統開發的重點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境中，但由于一些程序中用戶與虛擬環境的交互沒有完整的觸覺反饋系統，只強調視覺上的感知，缺乏用戶與虛擬環境的交互功能，結果達不到用戶的操作預期，由于這種缺陷用戶需要不斷地訓練、學習沒有觸覺反饋情況下的操作。

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圖1：（左）室內虛擬現實示意圖（右）使用虛擬現實系統

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目前一個大型虛擬現實系統的不僅要有視覺上的沉浸感，還要有觸覺上的反饋，這樣虛擬環境中所有必要的交互控制信息就可以被創建出來，此外，在大規模并行計算機系統的支持下，視覺和觸覺上復雜的物理現象可以實時的模擬出來，

系統架構

如圖2，系統結果分為四個組件類型，系統的主要組件是計算單元，此組件負責處理來自輸入設備的數據，還負責將坐標信息傳到給其他組件，如所需的復雜場景模擬數據以及分布式高負載觸覺交互信息，因此，計算組件被分成三個子組件分別執行不同的物理模擬任務，中央單元是控制整個數據流高性能工作站，另外兩個組件HPC和GPU集群協助工作站出來高負載計算數據。

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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力反饋設備，它非常適合用于創建大型虛擬環境，通過一個被稱為末端執行器的裝置將力和扭矩傳給用戶，這個設備附屬于一個由鋼纜組成的滑輪系統，可以在不同的末端執行器之間交互基于仿真的需求。末端執行器的鋼纜由支撐框架8個角落的馬達控制，在我們的設置中，我們使用的HAPTION末端執行器非常適合我們的需求，末端執行器可以抓取虛擬目標，另一個可能的設置如圖4（左）所示，將末端執行器作為一個腕帶使用，系統可以和數據手套（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，結合數據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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系統使用很細的鋼纜，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），在我們當前的設置中平均身高1.8米的用戶在其中工作，幾乎沒有任何阻礙。如圖1右側所示。