基于虛擬現實技術的自行車漫游系統的研究與實現

基于虛擬現實技術的自行車漫游系統的研究與實現

摘要：一種實時自行車漫游系統（VR-BWS）。該系統以健身車作為人機交互的工具，綜合運用了虛擬現實、傳感器、DPS控制等技術，并通過立體顯示等多通道交互技術實現了人在虛擬環境中的漫游，使參與者在由計算機構造的虛擬場景中獲得了如同在真實環境中騎車的體驗。

虛擬現實是計算機生成的、給人多種感官刺激的虛擬世界（環境），是一種高級的人機交互系統。理想的虛擬現實系統應當讓使用者在與虛擬環境產生交互行為時的感受與真實環境中的感受完全一樣。而現有的漫游系統大多采用二維交互界面，即采用鼠標（二維輸入）和鍵盤（線性輸入）作為交互設備，遵循著“窗口-圖標-菜單-指定”（Windows-Icon-Menu-Pointer,簡稱WIMP）操作范式，交互方式不合諧，不自然。本文以健身作為人機交互的工具，設計了一種實時自行車漫游系統VR-BWS。該系統以虛擬現實技術為基礎，綜合運用了傳感器技術、DSP控制技術，采用了多線程、非阻塞的數據實時通信技術，并通過立體顯示等多通道交互技術實現了人在虛擬環境中的漫游，使參與者在由計算機構造的虛擬場景中獲得了如同在真實環境中騎車的體驗，是把虛擬現實技術應用于實際的一個有益嘗試，應用前景十分廣闊。

1 系統構成及原理

當參與者騎在自行車上運動時，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據，通過傳感器實時采集，然后經由DSP控制電路傳送到上位機中，經過分析處理，使其在屏幕的虛擬場景得到仿真和展示，在虛擬場景里達到表演的效果；同時，當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，產生阻尼/驅動力，使騎車人有上述場景產生的上、下坡的感覺，從而獲得好的沉浸感。系統構成如圖1所示。

2 關鍵技術

2.1 人機交互傳感器技術

在本自行車漫游系統中，主要是借助各種傳感器實時地捕捉人體作用于自行車而產生的各種運動參數，輸入到計算機，作用于虛擬環境，實現人與虛擬環境的交互。

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。與車輪同步施轉，并以增量式編碼方式記錄自行車車輪旋轉角度對應的脈沖，然后將檢測到的脈沖數據換成車輪的旋轉圈數，即自行車相對于某一參考點的瞬時位置；VR-BWS中使用了角位移傳感器檢測車把轉角，控制場景中視點和視線的方向；在場景中設計有沒寬度的溝壑和天塹，根據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。

2.2 DSP控制技術

底層控制均由DSP系統完成。DSP處理系統的CPU采用TI公司生產的TMS320LF2407A，使用該芯片是為了保證上位機和下位機之間傳感器數據和地形數據雙向傳遞的實時性，減少運動跟蹤和信息反饋環節的延時。

2.2.1 傳感器數據的實時采集

在DSP的事件管理器EV模塊中，有一個正交編碼脈沖電路QEP。該電路使能后，可以在編碼和計數引腳上輸入由光電編碼器產生的正交編碼脈沖。正交編碼脈沖電路的基可由通用定時器提供，在程序中通用定時器設置成定向增計數模式，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據和力數據是模擬信號，通過DSP的模數轉換模塊（ADC）將采集到的數據進行模數轉換后存入的結果寄存器中。

2.2.2 多線程、非阻塞的實時通信技術

TMS320LF2407A的串行通信接口SCI模塊可以通過RS232轉換芯片與PC機進行異步通信。因為由傳感器實時采集到的數據通過DSP的SCI串口傳給上位機進行處理，同時虛擬場景中的地形數據需要下傳來達到控制執行機構輸出力矩的目的，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跟蹤傳感器時，必須不斷地從串口采集各路傳感器的狀態數據，以跟蹤觀察者對視點位置和視線方向的改變。通常有兩種方式：（1）在應用程序中創建定時器；（2）采用多線程的應用程序框架。第一種方法由于控制單元是以固定的頻率向主機傳輸狀態數據，因此為定時器選擇適當的定時周期是關鍵，否則很容易造成數據丟失。另外，由于應用程序需要不斷地響應定時器函數，因此三維場景的繪制速度必然會受到影響。筆者采用了第二種方法，具體如下：

在VC環境下開發了基于RS232協議的實時通信軟件，可以與虛擬環境軟件部分直接相連，并采用了多線程、非阻塞的實時漫游框架，在輔助線程中監視串口，有數據到達時依靠事件驅動，讀入數據并向主線程報告；并且WaitCommEvent（）、ReadFile()、WriteFile()都使用了非阻塞通信技術，依靠重疊（overlapped）讀寫操作，讓串口讀寫操作在后臺運行。每當主線程收到由輔助線程傳過來的新一幀數據后，首先對它進行判斷，只有在它相對于上一幀狀態數據的變化超過規定閾值的情況下，才能開始更新用戶視口內的場景顯示，從而避免由于參與者的微小運動而引起的不必要的場景重繪。

2.3 虛擬場景的構造及其實時顯示技術

目前，從技術角度上講，漫游的最大難點在于建模和實時繪制，需要在模型的精細程度和繪制速度方面取一個折衷，既要保證一定的繪制質量，又不能造成用戶的運動不適感。在建模和實時顯示方面采用了各種技術，以保證實時性。

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