大型模拟仿真多通道虚拟现实系统

简介

虚拟现实系统开发的重点是给用户带来沉浸感，通过提供立体可视化将用户置身于一个虚拟环境中，但由于一些程序中用户与虚拟环境的交互没有完整的触觉反馈系统，只强调视觉上的感知，缺乏用户与虚拟环境的交互功能，结果达不到用户的操作预期，由于这种缺陷用户需要不断地训练、学习没有触觉反馈情况下的操作。

 
图1：（左）室内虚拟现实示意图（右）使用虚拟现实系统

目前一个大型虚拟现实系统的不仅要有视觉上的沉浸感，还要有触觉上的反馈，这样虚拟环境中所有必要的交互控制信息就可以被创建出来，此外，在大规模并行计算机系统的支持下，视觉和触觉上复杂的物理现象可以实时的模拟出来，

系统架构

如图2，系统结果分为四个组件类型，系统的主要组件是计算单元，此组件负责处理来自输入设备的数据，还负责将坐标信息传到给其他组件，如所需的复杂场景模拟数据以及分布式高负载触觉交互信息，因此，计算组件被分成三个子组件分别执行不同的物理模拟任务，中央单元是控制整个数据流高性能工作站，另外两个组件HPC和GPU集群协助工作站出来高负载计算数据。

图2

触觉装置

图3

我们使用六自由度的Inca6D力反馈设备，它非常适合用于创建大型虚拟环境，通过一个被称为末端执行器的装置将力和扭矩传给用户，这个设备附属于一个由钢缆组成的滑轮系统，可以在不同的末端执行器之间交互基于仿真的需求。末端执行器的钢缆由支撑框架8个角落的马达控制，在我们的设置中，我们使用的HAPTION末端执行器非常适合我们的需求，末端执行器可以抓取虚拟目标，另一个可能的设置如图4（左）所示，将末端执行器作为一个腕带使用，系统可以和数据手套（Cyberglove）图4（右）一块使用，从而可以完成完整的抓取动作，在这种情况下INCA对手腕施加反馈力，结合数据手套可以接触控制一个完整的手部模型。

图4

系统使用很细的钢缆，其对投影的影响降很最低，这是非常重要的，在我们的案例中，由于空间限制不能采用背投（用于可视化），在我们当前的设置中平均身高1.8米的用户在其中工作，几乎没有任何阻碍。如图1右侧所示。