支持并行渲染的虚拟现实开发平台

高性能3D图形卡的发展使得基于PC集群的高分辨率沉浸式虚拟现实(VR)环境开始普及.通过对OpenGL渲染流水线的并行性分析和研究,提出并实现了一个并行虚拟现实开发平台(PVRDP)体系结构,并对平台的关键实现技术,如分布式场景树管理、负载平衡、离屏渲染、渲染资源管理等进行了研究,该平台基于普通PC集群和千兆局域网实现了海量多边形模型的实时并行渲染、输出图像的融合与校正处理.应用表明,PVRDP能够显著降低各类虚拟现实应用系统的开发复杂度,可支持低成本、高性能的沉浸式VR环境.     

面向手机的云端VR三维场景立体显示与交互框架

针对手机无法渲染可交互的高质量三维场景这一弊端,提出一种面向手机的云端VR应用框架。此框架结合云渲染和VR技术在手机端实现可交互高质量三维场景的立体显示,并以手机浏览器作为客户端,利用视频块流传输图像数据、消抖算法(AJA)处理交互数据,实现Web端轻量级渲染,不仅降低了移动端数据可视化运算成本,还避免使用插件和下载安装包。实验表明本文框架的显示帧率能达到30帧每秒,带宽控制在80 kb/s以内,能稳定地在手机上实现传统App无法实现的逼真VR体验。     

虚拟手术中具备触觉功能的软组织交互技术

研究了虚拟手术中用户通过触觉设备与软组织进行交互操作的技术.所用触觉设备为Phantom Desktop,交互操作包括切割、触摸和抓取.为了克服用户手的颤抖产生的触觉反馈力振荡,切割中的反馈力使用代理的方法计算,反馈力由刀锋阻力和刀面约束力构成.触摸和抓取操作使用作用球的方法,根据作用球的入侵体积来计算作用力和反馈力,并使用力和力矩等效原则将作用力分解成顶点等效力.最后给出了使用虚拟肝脏模型进行交互操作的效果.     

虚拟柔性触觉再现技术的研究

研制了一套小型柔性触觉再现装置。针对虚拟操作的需求,提出了一种高斯分布变形模型,该模型建模简单、算法实时性好、实时交互能力强。在此基础上构建了一个完整的集成触觉显示和视觉显示的虚拟触觉再现系统。通过仿真实验验证了触觉再现装置人机交互过程的有效性和可靠性以及算法的可行性。     

一种结合视觉听觉触觉的三维涡流结构多通道感知方法

计算流体动力学在产品开发过程中的概念设计评价越来越重要，而对计算流体动力力学的可视化给工程师提供一个洞察产品性能的有效途径。然而传统的可视化技术几乎都在视觉上传递信息，多元显示、全局视角、交互等都约束了对产品更深一步的观察。本文提出了一种结合听觉、视觉和触觉的涡流特征提取、基于涡流特征的可视化、涡流特征的声音表达、触觉的多通道感知技术，对三给矢量场的多维数据更深进一步探测。结合虚拟现实技术，提供用户栩栩如生、身临其境、高交互的的多通道感知矢量场的环境。本文的技术应用于某汽车空调公司的主流道设计。     

虚实融合的探究式实验系统研究

随着个性化教育理念的多元化发展，以着重自主探究、实践能力培养，基于形成性评价的探究式教学受到关注。面向探究式教学的需求，提出了满足探究式学习理论的虚实融合实验系统框架，并以化学实验为例开发了虚实融合系统和交互套件。通过物理传感将用户行为、交互套件、交互界面等多模态信息融合，与真实空间的数字图形孪生系统绑定，并通过流体模拟和高精度图形渲染生成实验现象，回馈给交互界面。同时，通过数据模型与行为可视化将用户的学习状态进程综合信息，实时反馈给教师，从而辅助教师根据学生状态进行探究引导，形成有意义的探究式教学。     

声音渲染技术及其在虚拟环境中的应用

在虚拟现实和分布交互仿真应用中,为增加参与者或观察者的沉浸感,生成多维的感官信息（ 如视觉、听觉、触觉以及动感等信息） 更能符合人的生理和心理感知。本文论述了虚拟环境中的声音渲染技术。首先从声音的传播和人的感知角度,论述了声音渲染的数学模型,然后论述了其研究内容和实现的关键技术,如声音的建模分析、三维空间定位、距离感知、与图象信息的融合以及声音渲染的验证等。文章最后给出了用于虚拟座舱的一种声音渲染方案。     

面向流场可视化的沉浸式虚拟现实交互系统研究

针对基于二维显示交互环境的流场可视化应用由于深度信息不足导致交互效率较低的问题,引入虚拟现实技术,提出具备多样化交互方式的沉浸式流场可视化系统。该系统基于凝视与手势交互技术,设计并实现了基于用户手势的导航方法与三维交互控件,基于用户凝视与手势的沉浸式交互面板,以及基于可视化场景的沉浸式交互管理方法与基于可视化算法树的可视化网络管理方法,对用户交互进行了系统化管理,能够在沉浸式环境提供对典型流场可视化操作的全流程支持。用户实验结果表明：该系统能够在典型流场可视化场景下为用户提供高效、自然的交互。     

面向电力变压器虚拟装配的多感官融合交互方法

虚拟装配技术旨在真实还原设备和物理场景,在真实环境中人们可以通过视觉、听觉、触觉等多种感官与物理世界进行信息交互。针对已有虚拟装配系统的真实感受限于单一感官人机交互方式的问题,提出一种多感官融合的信息交互方法,以提升沉浸感和操作性。提出一种在待装配体零部件体积差异性大的情况下的改进八叉树AABB包围盒碰撞检测算法,提升计算精度的同时极大减少计算量。实验结果表明：该方法在提高操作性和沉浸感方面有优越性。     

双通道触觉交互系统中牙科手术工具之间动态交互的力觉仿真

介绍了基于双触觉交互装置的双通道触觉交互系统（牙科手术训练系统）中动态工具交互仿真的分析和实现。动态工具交互是指探作者同时探作两台触觉交互装王导致虚拟环境中工具之间发生接触和碰撞的力觉仿真，它是双通道触觉交互牙科手术训练系统的重要组成部分。提出了计算工具和显示工具的概念，将图形显示与虚拟力的计算和输出解藕，保证了图形显示过程中，虚拟环境中的工具不会发生空间的重叠和干涉。同时，工具之间的交互被分为自由空间运动、碰撞和碰撞后挤压三个阶段，碰撞和挤压阶段分剐提出了虚拟力计算模型，保证了虚拟力计算和输出的快速性、逼真性和稳定性。     

Fault tolerant navigation method for satellite based on information fusion and unscented Kalman filter

An effective autonomous navigation system for the integration of star sensor, infrared horizon sensor, magnetometer, radar altimeter and ultraviolet sensor is developed. The requirements of the integrated navigation system manager make optimum use of the various navigation sensors and allow rapid fault detection, isolation and recovery. The normal full fusion feedback method of federated unscented Kalman filter (UKF) cannot meet the needs of it. So a no-reset feedback federated Kalman filter architecture is developed and used in the autonomous navigation system. The minimal skew sigma points are chosen to improve the calculation speed. Simulation results are presented to demonstrate the advantages of the algorithm. These advantages include improved failure detection and correction, improved computational efficiency, and reliability. Additionally, its’ accuracy is higher than that of the full fusion feedback method.     

基于模板的可视化场景编辑器

将虚拟现实技术应用于科技展示领域,可以使科技展品具有更好的沉浸感、交互性、趣味性和教育性。由于虚拟现实类科技展品的需求量日益增加,且虚拟场景的变异性较大,因此为了提高生成场景工作的效率、降低编写生成场景代码的难度,基于面向科技展示的虚拟现实仿真平台AndShow_VRToolKit,将模板思想融入到场景组织模式——场景树,设计并实现了生成场景的集成开发环境——场景编辑器。在其中对声音、实体、灯光等节点模板进行组合、配置和管理,然后生成包含场景信息的场景描述模板文件,系统通过读取模板文件并再现最终的虚拟场景。实践证明了基于模板的可视化场景编辑器的应用价值。     

ZDPS-2卫星可靠性试验评估方法

皮纳卫星具有研制周期短、采用商用货架式器件的特点,无法完整沿用传统大卫星通过底层元器件或部组件搭建系统可靠性模型计算整星可靠性的方法。针对上述问题,提出了基于试验数据的皮纳卫星可靠性评估体系。通过对机理不同的硬件和软件故障分别建模的方法,实现了ZDPS-2卫星的可靠性评估。对卫星的硬件故障数,基于顺序约束模型和贝叶斯参数估计方法进行拟合,并考虑了不同试验环境对卫星工作环境的等效因子。ZDPS-2卫星硬件可靠性水平估计为3月末0.85。对卫星的软件故障采用加入变点的非齐次泊松过程模型拟合,并选择Logistic模型作为测试覆盖率模型。ZDPS-2卫星软件故障拟合结果,平均无故障时间为217 h。ZDPS 2卫星试验结果证实,可靠性满足增长试验设计的要求和任务需求。     

高临场感和自然交互性的分子可视化教学系统

介绍一个面向分子可视化教学的虚拟现实系统。系统基于多投影无缝拼接技术提供了具有高度临场感的虚拟环境，使学生沉浸在虚拟的分子、原子模型结构中学习生化分子的有关知识。学习者不仅可以带上立体眼镜，观察到高度真实的三维立体分子结构，而且可使用6自由度触觉，力觉反馈设备对分子模型进行自然直观的交互操作，获得操作真实物体的效果。文章主要介绍系统硬件构成、多投影无缝拼接、触觉交互技术、分子可视化以及分布式绘制等方面的内容。     

某导弹电子学系统的协同仿真

以某导弹电子学系统的仿真需求为背景，提出了用协同仿真方法进行系统仿真的框架结构，包括硬件平台结构和软件支撑环境，对协同仿真涉及的关键技术进行了初步探讨，其中包括混合异构层次化建模技术、定性与定量集成建模技术、实时分布仿真技术以及实时数据库技术等，并给出了一个该电子学系统的协同仿真简易模型。     

基于HLA的森林灭火仿真系统的关键技术研究

针对虚拟森林灭火仿真需要多种不同要素同时参与灭火仿真的功能需求,提出了一种基于HLA的可扩展的分布式森林灭火仿真体系结构。由于涉及大范围三维场景仿真,系统同时需要实时逼真的显示效果。从项目需求出发,就系统设计、开发过程中的关键技术,如FOM/SOM设计、联邦成员框架结构设计,联邦成员内部的多线程软件设计等分别作了深入研究,在此基础上实现了森林灭火仿真原型系统的设计与开发。     

船舶机舱虚拟现实仿真系统的实现方法

详细介绍了运用MultiGen Creator和Vega等软件实现具有VR特征的船舶机舱虚拟现实仿真系统的方法,其中主要有：利用Creator进行三维建模过程中的场景数据库层次结构技术、实例化技术、外部引用技术、纹理映射技术和实时视景生成技术等;利用Vega实现船舶虚拟机舱的自动漫游和手动漫游方法以及漫游过程中的碰撞检测技术等;首次实现了与船舶轮机模拟器之间通信,实现虚拟机舱与轮机模拟器之间的相互操作,保持虚拟场景中虚拟仪表、虚拟指示灯等部件的状态与船舶轮机模拟器相应部件的状态一致。开发出的船舶机舱虚拟现实仿真系统,建立了逼真的船舶机舱虚拟场景,实现了人在虚拟机舱环境中的漫游,可以对虚拟场景中主要运动部件的驱动,是对现有船舶轮机仿真器有益的补充,有利于提高轮机员培训的教学质量。     

沉浸式双通道虚拟博物馆的设计与开发

随着计算机软硬件技术的发展,利用虚拟现实技术进行三维场景的构建、漫游已成为可能.从硬环境和软环境两个方面阐述了徐悲鸿虚拟博物馆的构成;搭建了双通道沉浸式虚拟环境,探讨了基于PC机群的多通道立体交互漫游的若干关键技术问题;以博物馆数字化建设为背景,对徐悲鸿博物馆的建筑物、生前作品及其塑像进行了三维重建,通过佩戴立体眼镜、头盔、数据手套等交互设备实现了整个博物馆内、外场景的三维立体虚拟漫游,足不出户地赏析文物作品.