x02基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的自行車漫游系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

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1、萬方數(shù)據(jù)計算機(jī)應(yīng)用基手虛擬現(xiàn)實(shí)技木韻自行車漫游系統(tǒng)的研究與實(shí)觀北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院(100083)高欣宋荊洲北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院(100876)孫漢旭趙峰摘要：一種賓時自行車漫游系統(tǒng)(VR—Bws)。該系統(tǒng)以健身車作為人機(jī)變互的工具，綜合運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)、傳感器、DSP控制等技術(shù)，并通過立體顯示等多通道交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人在虛擬環(huán)境中的漫游，使參與者在由計算機(jī)構(gòu)造的虛擬場景中獲得了如同在真實(shí)環(huán)境中騎車的體驗。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互DSP傳感器立體顯示虛擬現(xiàn)實(shí)足計算機(jī)生成的、給人多種感官刺激的虛擬世界(環(huán)境)，是一種高級的人機(jī)交互系

2、統(tǒng)川。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)讓使用者在與虛擬環(huán)境產(chǎn)生交互行為時的感受與其在真宴環(huán)境中的感受完全一樣。而現(xiàn)有的漫游系統(tǒng)大多采用二維交互界面，即采用鼠標(biāo)(二維輸入)和鍵盤(線性輸入)作為交互設(shè)備，遵循著“窗口一圖標(biāo)一菜單一指定”(Windows—Icons—Menu—Pointer，簡稱wIMP)操作范式m”，交互方式不合諧，不自然。本文以健身車作為人機(jī)交互的工具，設(shè)計了一種實(shí)時自行車漫游系統(tǒng)vR～Bws。該系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用了傳感器技術(shù)、DsP控制技術(shù)，采用了多線程、非阻塞的數(shù)據(jù)宴時通信技術(shù)，并通過立體顯示等多通道交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人

3、在虛擬環(huán)境中的漫游，使參與者在由計算機(jī)構(gòu)造的虛擬場景中獲得了如同在真實(shí)環(huán)境中騎車的體驗，是把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的一個有益嘗試，應(yīng)用前景十分廣闊。1系統(tǒng)構(gòu)成及原理當(dāng)參與者騎在自行車上運(yùn)動時，自行車的速度、方向、籠頭往上提的時間和力度以及騎車人自身重量等數(shù)據(jù)．通過傳感器實(shí)時采集，然后經(jīng)由DsP控制電路傳送到上位機(jī)中，經(jīng)過分析處理，使其在屏幕的虛擬場景得到仿真和展示，在虛擬場景里達(dá)到表演的效果；同時，當(dāng)屏幕中的場景變化時，如上坡、下坡等，也可以通過控制軟件反饋到自行車的控制器上．產(chǎn)生阻尼／驅(qū)動力，使騎車人有上述場景產(chǎn)生的上、下坡的感覺，從而獲得較

4、好的沉浸感。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。2關(guān)鍵技術(shù)2．1人機(jī)交互傳癌器技術(shù)在本自行車漫游系統(tǒng)中，主要是借助各種傳感器實(shí)時地捕捉人體作用于自行車而產(chǎn)生的各種運(yùn)動參數(shù)，輸入到計算機(jī)，作用于虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的交互。VR—BWs中使用的傳感器有光電編碼器、角位移傳感器和力傳感器。把光電編碼器安裝在自行車車輪的軸上，與車輪同步旋轉(zhuǎn)，并以增量式編碼方式記錄自行車18w唧w．a(chǎn)ehIet．eBwwW．8咖et．c鋤．cn力圖1系坑構(gòu)成圍車輪旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的脈沖，然后將檢測到的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成車輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，即自行車相對于某一參考點(diǎn)的瞬時位置；VR—BwS中使用了

5、角位移傳感器檢測車把轉(zhuǎn)角，控制場景中視點(diǎn)和視線的方向；在場景中設(shè)計有不同寬度的溝壑和天塹，根據(jù)騎車人的體重和速度來判斷能否沖過去，仿真飛越長城和黃河等，因此在自行車的車把和座位處安裝了用來測量提力和人體重量的力傳感器。2．2DSP控制技術(shù)底層控制均由DsP系統(tǒng)完成。DsP處理系統(tǒng)的CPu采用TI公司生產(chǎn)的1’Ms320LF2407A，使用該芯片是為r保證上位機(jī)和下位機(jī)之間傳感器數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)雙向傳遞的實(shí)時性，減少運(yùn)動跟蹤和信息反饋環(huán)節(jié)的延時。22．1傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時采集在DsP的事件管理器EV模塊中，有一個正交編碼脈沖電路OEP。該電路使能后，

6、可以在編碼和計數(shù)引腳上輸人由光電編碼器產(chǎn)生的正交編碼脈沖。正交編碼脈《電子技術(shù)應(yīng)用》2004年第9期萬方數(shù)據(jù)計算機(jī)應(yīng)用沖電路的時基ⅡI由通用定時器提供，在程序中通用定時器設(shè)置成定向增汁數(shù)模式，并以正交編碼脈沖電路作為時鐘源。由角位移傳感器和力傳感器采集到的角度數(shù)據(jù)和力數(shù)據(jù)是模擬信號，通過DsP的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADc)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后存^結(jié)果寄存器中。22多線程、非阻塞的實(shí)時通信技術(shù)模型的建模相對困難。3DMAX等三維圖形建模工具能方便建立各種復(fù)雜物體模型，但是很難進(jìn)行程序控制c因此，筆者在3DMAx等工具中建立好復(fù)雜模型后，在Ope

7、nGL中實(shí)現(xiàn)對其方便控制和變換。本系統(tǒng)(vR—Bws)軟件部分需要享用多種公開三維格式文件數(shù)據(jù)，同時還要與數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，VR—BwS數(shù)TMs320Ⅱ2407A的串行通信接L]scI模塊可以通過據(jù)流圖如圖2示。Rs232轉(zhuǎn)換芯片與Pc楓進(jìn)行異步通信。因為由傳感器實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)通過DsP的scI串口傳給上位機(jī)進(jìn)行處理，同時虛擬場景中的地形數(shù)據(jù)需要下傳來達(dá)到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩的目的，模擬人騎自行車上、下坡時的感覺，在程序中把它設(shè)置成全雙工方式。使用多路傳感器作為三維場景漫游的視點(diǎn)跟蹤傳感器時，必須不斷她從串r：】采集各路傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以跟蹤觀

8、察肴對視點(diǎn)位置和視線方向的改變。通常有兩種方法：(1)在應(yīng)用程序中創(chuàng)建定時器；(2)采用多線程的應(yīng)用程序框架。第一種方法由于控制單元是以固定的頻率向主