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基于VR航海模拟器的虚拟手交互研究
| 论文题名： | 基于VR航海模拟器的虚拟手交互研究 |
| 关键词： | 航海模拟器;虚拟现实;虚拟手交互;碰撞检测;反向运动学 |
| 摘要： | 航海模拟器在现代航海教育与培训中发挥着重要作用，且随着计算机仿真技术的快速发展，其规模持续扩大，功能也不断完善，然而大型航海模拟器存在建设成本高、使用时间及空间受限、视景显示系统沉浸感低等问题，这也意味着现有模式将会制约其持续发展。因此，本文利用虚拟现实（VirtualReality,VR）技术高沉浸感以及可交互性的优势，结合实际船舶操纵特点，构建沉浸式的VR航海模拟器。针对传统VR仿真平台人机交互缺乏真实感这一现象，提出通过虚拟手的形式实现自然且真实的船舶操纵，并对相关关键技术做了深入研究。论文主要完成的工作如下： （1）设计基于虚拟手交互的VR航海模拟器框架。通过对VR航海模拟器需求的分析，提出VR航海模拟器的总体框架，给出虚拟手交互解决方案，并明确其操纵流程，为论文的后续研究指明方向。 （2）设计一种适用于虚拟驾驶台控件的碰撞检测算法。通过分析每种控件碰撞情况，考虑现有检测算法存在的问题，设计了粗细两步碰撞检测算法，以防止穿透等非常规物理现象的发生。在粗略检测中，通过层次包围盒树技术构建控件的全局检测模型；在精细检测中，采用立体模型堆积算法对碰撞区域内的基本几何图元进行分割，进而生成更加精细的局部检测模型。通过对比实验，验证了本文算法可以在满足检测实时性的同时保证检测精度。 （3）研究适用于VR航海模拟器的虚拟手操纵方法。通过分析常见操纵手势的手指特性，定义虚拟手交互规则；同时，为了能够真实地模拟控件在虚拟手操纵下的运动，基于力学分析法设计了适用于受限条件下的运动控制方法；此外，针对实际应用中虚拟手姿不稳定的问题，引入反向运动学算法对手姿进行动态修正。通过以上方法实现了自然且真实的虚拟手交互。 本文在上述研究基础上，通过Unity以及LeapMotion实现了逼真的虚拟船舶操纵，解决了VR技术人机交互真实感不足的问题，为航海模拟器技术的发展提供了新思路、新方向以及新模式。 |
| 作者： | 张子健 |
| 专业： | 交通信息工程及控制 |
| 导师： | 陈立家 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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