视景和操纵同步

视景和操纵同步是虚拟实训训练系统研制中体现视觉和触觉真实性的重要指标之一，视景和操纵同步主要是指视觉和触觉的协调性、一致性。实训系统在运行当中通过显示系统模拟出在真实环境中的地形环境、天气环境、地貌环境等视觉信息，通过操作外部设备，实时驱动虚拟现实场景中模拟的第一人称视角的实训画面教学信息。

帧速率的控制

帧速率是指每秒钟视景画面刷新的帧数，对于虚拟实训而言，既要使画面有一定的表现效果，又要求仿真数据的实时性，在帧速率的刷新上要至少保持60帧。

在三维虚拟实训中，实时性主要体现在：运动体位置、姿态的实时计算与动态绘制，画面更新必须达到人眼察觉不到闪烁，即相当连续的程度。同时实训画面也要随着操纵者所使用的交互设备的当前状态产生相应的画面，如：体感操作、交互式手柄等的控制，当设备状态发生变化时，实训的操作画面要立即做出反应，并要产生与之对应的画面场景，其间的时间延迟不应大于0.1s。

为保持画面的流畅性、数据的实时行与正确性，在三维场景实时生成中除了高标准的计算机硬件配置外，还要注意模型网格、材质、贴图的优化及灯光和摄像机的渲染控制，尽可能的减少渲染的数据量。

操纵设备的数据采集周期

操纵设备的数据采集主要是指通过数据传感器的采集设备，实时感知操纵设备的状态变化数据，并且实时驱动画面的变化。由于视景画面的帧速率保持在60帧以上，为了使设备状态与画面同步，所以操纵设备的数据采集周期应尽量和画面刷新率保持一致或保持在帧速率的刷新周期之内。

数据传输的实时性

数据传输的实时性主要是指操纵设备实时驱动视景画面时，数据的传输速度和数据的完整性，中控系统采集操纵设备的状态变化数据，并将采集的数据通过网络传输给实训的显示系统，在该系统的数据传输机制中，采用UDP数据传输协议，UDP是一种无连接的传输协议，由于UDP协议在传送数据之间不用在客户端和服务器端建立连接，所以传送数据的速度非常快，如此在该系统中保证了数据传输的速度。

场景真实性

场景真实性主要是指操纵者在实际操作过程中产生的动态随着计算机模拟的高低起伏的视角变化生成的画面要产生一种颠簸、倾斜、透视的真实感觉，视口画面随着第一视角位置的变化而变化。受虚拟环境的影响，在实际操作过程中其操纵系统还会产生一种感觉来自地形、配景以及实训案例模型的阻力，这种阻力的模拟实质，是因为虚拟世界中模拟力学和速度动力学的不同，通过力反馈装置模拟出来的。

硬件设备的动态响应特性

其本质是由中控计算机实时控制并能提供显示内容俯仰、滚转、偏航、升降、纵向平移和侧向平移等动作的六自由度瞬时仿真。因此，运动系统性能的优劣将直接关系模拟的逼真度。而运动系统的机构学理论、关键零部件及其控制策略等的研究，是进行运动系统的结构优化设计，提高实训仿真系统运动性能的关键技术。

2.5.3视景显示系统

视景显示系统主要是通过计算机对视觉环境的模拟，其主要包括对地形地貌、地面文化特征、配景实体、运动实体、天气环境和相机视角等数据信息，由于数据显示的实现需要庞大的数据支撑和图像图像的数据处理方式，占用了很大一块内存处理空间，为了保证其运行的流畅性与安全性，对视景的图像处理必须采用一些特殊的处理手段，现阶段其处理手段主要包括以下几点：

LOD模型简化技术

LOD（Levels of Detail）技术是当前可视化仿真领域中处理图形显示实时性方面十分流行的技术之一。细节层次(LOD)模型就是在不影响画面视觉效果的条件下，对同一物体建立几个不同逼近精度的几何模型。根据物体与视点的距离来选择显示不同细节层次的模型，从而加快系统图形处理和渲染的速度。对于一个多级的LOD模型，当视点逐渐接近物体时，物体将根据模型建立时的LOD距离设置，由低到高，显示不同的细节层次。这样可以保证在视点靠近物体时对物体进行精细绘制，在远离物体时对物体进行粗略绘制，在总量上控制多边形的数量，不会出现由于显示的物体增多而使处理多边形的数量过度增加的情况，把多边形个数控制在系统的处理能力之内，这样就可以保证在不降低用户观察效果的情况下，大大减少渲染负载。

MIP纹理映射处理技术

集成后的系统整体模型实际上是各种几何形状的集合体，而各个几何体的表面又都是单色的，所以不能达到显示真实感的效果和要求。因此，我们需要使用纹理映射技术对模型进行处理。在使用纹理映射时有多种方案。

例如：可以把纹理映射到由一组多边形近似的表面或是弯曲的表面上，也可以在一个方向或两个方向上重复使用一种纹理来覆盖表面，而纹理可以是一维的。

此外还可以自动将纹理映射到物体上，利用纹理来表示观察到的物体的轮廓或其他属性。可以给发亮的物体贴上纹理，使其看起来就好像是处在房间或其他环境的正中央，其表面反射的是周围环境的景色。

最后，纹理还可以用不同的方式粘贴到物体表面上。既可以直接画(类似于往物体表面贴花)，也可以调整物体表面的颜色，或者将纹理颜色和物体表面颜色进行混合。

多通道显示处理技术

多通道主要是指在视景显示系统中多视角的生成、处理和显示技术，其多视角主要包括主视角、左中右反光镜视角和控制台评价系统第三人称观察视角。由于多通道显示硬件系统中的显示设备参数不同，所以要对多通道视角做匹配处理，和分节点渲染处理。

多通道显示处理技术通过主从式服务模式，对视景做渲染和同步技术处理，通过分节点式渲染的方式可以提高画面的更新速率，但需要解决其数据同步问题。为了实现多个从属PC渲染端生成的场景、实体随主控PC收到的仿真实体数据的变化而实时变化，需要在主--从机之间传递同步控制信息。解决方法是将视景仿真系统的软件结构设计成为多线程结构，即在主控端创建用户交互控制线程，实体数据接收线程，同步通信线程和渲染线程，在从属端创建同步通信线程和渲染线程。

碰撞检测

碰撞检测是三维图形引擎中不可缺少的一部分，应该根据具体的应用选择不同的碰撞检测方法，在模拟驾驶过程中，为了增强驾驶的真实性，场景中行驶的汽车需要进行地形检测、固定物体碰撞检测以及活动物体碰撞检测等，常用的检测算法有包围盒检测和射线、多边形检测。由于汽车操纵模型的运动具有实时性和可操控性的要求，所以在模拟驾驶中的碰撞检测应采用实时碰撞检测方法，在实时碰撞检测中主要采用两种碰撞检测算法：基于OBB包围盒的碰撞检测和基于基本基本几何体的相交测试，前者可以可以快速剔除不可能相交的部分，后者则对可能碰撞的部分进行精确判断。

视觉特效

视觉特效主要包括粒子特效、光照特效、镜头特效等画面处理效果，增强了画面的真实感，其中粒子特效实现了画面中雨、雪、雾等天气效果的模拟，光照特效实现了画面中环境亮度的变化，可以模拟环境由暗到亮的环境变化，还可以模拟光晕等效果的产生及地面物体阴影的变换，镜头特效主要是为了对画面运行效果的模拟，如在高速行驶中环境的运动模糊和景深效果。

视觉特效的模拟加剧了内存空间的占用，特效的制作要考虑对内存的占用、释放、分配等管理，视觉特效的使用既要考虑帧速率的更新速度，又要考虑数据传输的实时性和对内存的合理分配，否则视景系统可能会出现运行错误。

设备组成

动捕系统

LED动作捕捉式仿真实训通过光学动作捕捉摄像机、3D立体LED设备、交互3D眼镜和交互手柄等产品进行实训操作。实训过程中，不仅可以实现抓取移动、放大、缩小、360°全方位展示等基本功能，高度还原实际拆装场景和教学过程。

Ø 光学交互摄像头

配置光学交互摄像头，满足视频摄像/传播和动态图像捕捉等基本功能，简单易用、稳定可靠，具有良好的通用性、兼容性，内置大容量帧缓存，保证传输可靠与实时，超低延时触发电路设计，极速响应触发信号。

Ø 3D信号发射器

配置3D发射器，传输信号不再受限和干扰，眼镜和发射器一对一工作不受其他影响，眼镜和发射器同步无偏差，保证信号传输，还可通过调节适应不同3D显示设备。

Ø 三维交互手柄

配置三维交互手柄，按键功能齐全，操作反应灵敏，高精度6DOF交互手柄，定位速度快，使用流畅，为移动操作界面带来令人难以置信的沉浸感与自由度。

Ø 3D眼镜定位套件

配置带光学标记的3D眼镜，用于操作者与大屏进行实时互动，追踪操作者头部位置，实时调整3D显示画面视角，提升用户实时交互体验。

配置不带光学标记的3D眼镜，用于其他观看者，满足多人同时观看的需求，其他观看者佩戴后能够同步查看操作者的实时交互画面，适用于多人示教场景。

Ø LED大屏

Ø 

Ø 应用优点：

Ø 1.显示尺幅大方便了对大尺度的研究对象进行观察

Ø 大尺幅的显示界面大大方便了我们对于大场景（如会场、战场、工厂等）的一比一还原能力，提升沉浸感，体验真实的历史事件与情景。为学院研究一些诸如景观设计、车辆工业设计等情景提供了便利的研究环境。

Ø 2.大尺幅可以提供超高分辨率的影像

Ø 高分辨率意味着可以显示更多的细节，高分辨率的影像不仅可以使画面显示更加细腻、同时也可以让观察者看到更多的内容细节。

Ø 3.方便教学，提升效率

Ø 可以实现一人操作、多人同时观看的教学效果，支持同时数十人上课，教师可以将复杂、抽象的教学内容在虚拟现实环境中呈现，学生可佩戴3D眼镜跟随教师的视角观看相应的场景，了解理论基础、生产场景、岗位实训等，增强课堂教学效果，提升课堂教学效率。

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