● 摘要
虚拟操作技术是通过操作者的手部输入改变虚拟物体状态的一种应用技术。较为精确的虚拟操作是基于数据手套进行的，这种虚拟操作的经验可以直接运用于真实世界中，避免人类直接参与高危险或者不可能完成的工作，因此被广泛运用于军事、民用及娱乐业中，如：虚拟制造、虚拟装配、虚拟维修等。本文以直升机虚拟飞行座舱系统为研究平台，对虚拟座舱系统中虚拟操作的若干关键技术进行深入研究，主要包含以下四个方面：基于运动约束的虚拟操作算法。本文采用了基于运动约束的虚拟操作算法，将运动约束的方式运用到基于手姿的虚拟操作算法中来实现虚拟操作，既继承了基于手姿的虚拟操作算法简单易于实现的优点，而且运动约束很大程度的弥补手姿虚拟操作算法无法提供力反馈而造成的穿透问题，大大增强了虚拟操作的实时性和真实感。基于原始采集数据直接校准的数据手套校准及跟踪器误差校正技术。本文采用对数据手套采集的原始数据(0-255的整数)直接校准的方式，并对大拇指进行了单独处理，避免了数据手套内部转换引入的误差，也使得大拇指能够自然的动作，很好的解决了数据手套误差引入的虚拟手动作不准确的问题。真实感虚拟手的实现技术。本文采用运动模型和显示模型两部分分开的方式来创建虚拟手模型，即采用基于解剖学的人手骨骼系统作为运动模型，确保虚拟手各关节运动姿态准确性和实时性，采用基于顶点混合技术的精细人手网格几何模型作为显示模型，有效的消除虚拟手的变形失真，使虚拟手模型真实平滑。基于有效碰撞的碰撞检测技术。本文采用有效碰撞检测判断的方法，建立虚拟手与被操作对象的映射关系，实现快速、精确的碰撞检测与反馈判断，提高了系统的实时性和虚拟手操作的精确性，并对视觉、触觉和力觉反馈三种碰撞响应的实现方法进行了分析。本文通过对以上四种虚拟座舱系统中虚拟操作关键技术的分析与研究，实现了具有视觉真实感的虚拟手，虚拟手与座舱中虚拟物体的虚拟操作，以及虚拟操作的视觉和触觉反馈，改善了直升机虚拟座舱系统的沉浸感、真实性和实时性，也为其它虚拟座舱系统的研制与开发提供了相关技术基础。