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为虚拟现实在工业应用中提出的一种硬件-软件架构
Chionna F.，Cirillo P.，Palmieri V.，Bellone M.（2015）一种用于工业应用虚拟现实的硬件 - 软件架构。在：De Paolis L.，Mongelli A.增强和虚拟现实。AVR 2015.计算机科学讲义，第925卷.
摘要：提高与CAD引擎的交互水平对于诸如航空航天和汽车等行业而言是一个具有挑战性的问题，这些行业在设计过程中需要高度细节检查。使用沉浸式虚拟环境可以提供高级别的交互。然而，虚拟现实技术在工业应用中的使用引入了许多问题，因为交互需要跟踪系统，但也需要设计用户友好的3D接口。我们的工作旨在开发具有成本效益的硬件/软件VR平台，以提高交互水平，与最常见的CAD引擎连接。一方面，这种复杂平台的实现需要高性能设备。另一方面，工业应用需要可靠且具有成本效益的解决方案，因此，本平台提供了一种结合深度相机和遥控器的新型手控精确解决方案。
关键字：计算机图形学；虚拟现实；软件工程；计算机辅助设计
- 简介
虚拟现实和增强现实技术不断发展，在设计评审过程中打破了新的界限。从旧的2D模型到现代的3D计算机图形，开发人员总是寻找新的，更具沟通性的方式来创造性地表达想法。3D计算机图形学之后的自然结果在于开发新颖的沉浸式系统，该系统使用虚拟环境将用户带入创意中。在这方面，研究人员多年来一直致力于VR和计算机图形学的研究[1]。从他们的到来，VR和身临其境的系统的应用已经研究了几个领域，如医疗[2]，娱乐[3]，设计审查[4，5]等等。具体而言，通过设计审查，研究人员通常会参考产品，机械部件甚至建筑项目的数字检查和检查的具体过程，以便在物理实现之前做出具体决定。
通过研究该领域的过去研究，显而易见的是，开发将技术从简单的三维可视化系统引入沉浸式VR系统，用户可以与之进行交互，并且设计审查被揭示为吸引经济和工业利益的潜在应用。着眼于后者，在沉浸式设计的虚拟现实方法[6]中，作者探讨了虚拟环境中CAD模型处理的问题。然而，在沉浸式虚拟现实对建筑设计评审可视化的影响[7]研究了沉浸式VR技术对设计评审场景可视化的影响。更具体地说，作者调查了在沉浸式环境中的公寓楼内建造残疾人浴室，有助于在设计过程中考虑意外事件。为了支持工业应用设计评审过程中VR的最新发展，使用虚拟现实和3D工业数值模型进行沉浸式交互式检查表[8]作者描述了一种通过沉浸式虚拟环境进行虚拟样机检测的方法。然而，他提到的方法要求用户穿着网络手套进行手部定位和跟踪。
通常，为了创建沉浸式VR环境，存在不同的技术[9]，可以根据屏幕类型和数量进行分类。单面显示解决方案因其成本效益而被广泛使用。在虚拟环境中的深度感知：宽屏幕立体显示器和头戴式设备之间的比较研究[10]中，作者研究了对头戴式设备使用宽屏幕立体显示器的可能性。然而，多屏幕解决方案主要用于向一组用户提供身临其境的感觉，例如在在虚拟环境中与图形菜单交互时的感官反馈效果[11]中，作者使用多屏幕解决方案研究了与虚拟环境中的图形菜单的交互。//
尽管沉浸式技术在过去几年中取得了重大进展，但问题和开放性问题仍然无数，导致大量研究活动涉及全球大学。其中，简单且用户友好的3D交互式用户界面（称为3dUI）的开发构成了关键的开发线。本期最近的一项工作是使用基于智能手机的菜单系统界面来解决这个问题，以实现沉浸式虚拟环境[ 12]。尽管该研究表明在沉浸式现实中使用交互界面向前迈出了一步，但是当用户观看移动屏幕而不是大屏幕时，由于可能的干扰，移动设备的使用可能导致用户的沉浸感差。此外，在设计审查过程中经常会讨论同一产品的不同方面。例如，在汽车领域，审查过程与机械，风格和人体工程学问题有关，并且不同模型和解决方案的比较需要运行不同软件的不同实例。在这种情况下，用户可能需要在可视化之间切换或讨论不同的问题，甚至是3D模型的交互式修改[ 13 ]。
鉴于所有被引用的批评，结果显示需要新的贡献和进一步的研究以增加用户的沉浸感和可用性的水平。作为贡献，我们的提议包括在沉浸式环境中用于CAD可视化的沉浸式系统，其中3dUI可移动界面被投影到屏幕上并且可以使用跟踪系统和简单的遥控器来简单地控制它。我们的软件称为Dune，旨在通过基于开源平台和经济高效的跟踪设备相结合的沉浸式虚拟现实系统简化设计审核流程。具体来说，Dune平台具有一个模块，允许加载常见的3D CAD模型，如“step”，“iges”或“stl”文件，以便提供呈现的可能性。
总之，拟议平台的主要优势是：
-用户和虚拟现实引擎之间的交互主要通过经济有效的跟踪设备完成;
-由于其模块化，软件架构的开发易于维护和扩展;
-用户友好的3dUI的实现。
本文的其余部分安排如下。第2节 讨论了系统概述，包括一般硬件描述。软件架构在第三节中更加详细，其中完全公开了它的单个模块，包括我们的定制解决方案，以处理跟踪设备。作为我们软件架构的进一步加强，第四节介绍了为此应用专门设计的3D用户界面。关于用户意见的讨论在第五节。最后，第六节给出了一些最终结论。
- 系统概述
我们的定制平台的目标是创建一个能够满足设计师要求的沉浸式设计环境。很明显，沉浸式系统需要硬件和软件组件的组合。关于软件的主要考虑因素涉及可靠性，模块化，可维护性和可扩展性，还要实现用户友好的沉浸式界面，保持硬件组件的成本效益。在本节之后，提出了关于我们系统的硬件的一般概述。特别关注可视化架构和跟踪器设备，因为它们被揭示为在虚拟环境中提供高级用户交互性的关键问题。
2.1可视化架构
我们的虚拟现实中心拥有约144平方米的投影室和约25平方米的服务器室，VRC采用电影模式设有隔音墙，观众共有34个座位，分为3个步骤。图 1显示了设计评审会议期间的实际中心屏幕（a）。该显示系统的特点是BARCO的系统MOVe，它具有3个可移动的屏幕。每个屏幕的特征在于表面积 3.3m times; 2.4米 总长9.6米，高2.40米，侧面屏幕可以CADWALL配置旋转到CAVE配置，从中间配置传递 0.0∘，22.5∘，45.0∘，90.0∘ 。多显示器的选择是由增加用户空间移动性的必要性所驱动的，这种解决方案提供了高水平的沉浸感[ 14 ]。屏幕的表面使用半透明材料制成，用于投影和立体渲染。此外，已采用后投影系统以确保最大化用户移动性和沉浸式体验，从而避免场景中的任何可能的阴影。所描述的特征的集合，与3D立体投影系统的使用一样，允许用户充分享受不同的场景和模拟到沉浸式环境中。
立体渲染需要同时生成和显示两个图像，一个针对右眼计算，一个针对左眼计算。我们的解决方案使用高刷新率CRT投影仪，刷新率高达120 Hz。利用DLP技术的固有速度，Optoma EX785可以120Hz的惊人速率输出视频和图像，使我们能够显示全屏，全彩，立体3D场景。通过将信号分成两个标准视频流（每只眼睛一个）来生成3D效果。由于可视化系统需要高图形性能，我们的计算系统配备了4个带有Nvidia Quadro FX 4500的高端工作站。工作站采用主/从架构互连，详见图 1。（b）具体来说，我们的架构使用单个工作站作为主服务器和3个从站，每个屏幕一个。主设备具有可视化同步和传感器数据采集的任务，而从设备负责场景渲染的单个部分。主服务器和从服务器之间的连接使用客户端 - 服务器结构。
2.2跟踪器与输入设备
简单沉浸式环境的实现与沉浸式环境的设计评审之间的区别在于后者所需的交互性水平的提高。过去的沉浸式设计评审软件只能可视化3D零件，然后实现了低水平的交互功能。但是，它们通常仅包括旋转和移动部件的基本功能。我们的挑战涉及创建一个专用于CAD对象可视化的虚拟环境，用户可以使用自己的动作实时交互。在这种关注中，跟踪系统提供了一种有效的方式来解释用户在现实世界中的移动并将其转换为虚拟世界中的动作。
如今，许多技术可以实现从视觉骨架跟踪到电磁运动跟踪的运动识别。前者为涉及视觉信息的用户提供高移动性和自由度，而电磁传感器在位置估计方面更精确，但是它们可能降低用户移动性，因为它们通常是可穿戴设备。考虑到上述因素，Dune使用两种不同的方法来跟踪用户位置，一个用于视觉骨骼信息的kinect设备和一个用于精确头部和手部位置的FASTRACK。kinect传感器在计算机图形社区中是众所周知的并且是常见的。从RGB相机和深度信息，该软件能够利用相应的节点计算用户的骨架模型，包括它们相对于摄像机参考系的位置。FASTRAK跟踪位置（x，y和z笛卡尔坐标）和方向（rho;，theta;，phi;小型传感器在空间中移动时的滚动，俯仰和偏航）。
然而，在跟踪应用中，噪声，振动和由此产生的抖动有时是不可避免的。数值滤波器，1euro;滤波器[ 15 ]，已应用于所有关节位置，以最大限度地减少抖动和滞后。1euro;滤波器是一种自适应一阶低通滤波器：它根据信号速度的估计，为每个新样本调整低通滤波器的截止频率。
输入设备旨在简化设计人员激活的功能。游戏手柄或太空导航器可帮助设计人员导航到场景并控制功能。但是，如果用户希望用一只手自由移动以激活功能和控制对象，则无线遥控器的使用成为必需。我们的选择是Nintendo Wii Remote设备。Wii遥控器包括一组用于基本功能的按钮，一个红外传感器，用于跟踪多达四个红外光源，刷新率为100 Hz，三轴线性加速度计提供运动传感器功能。
Dune使用Wii Remote功能作为指针，用于手腕动作识别和功能激活。在其原始形式中，Wii Remote用作与IR条组合的指针。虽然内部传感器（例如加速度计和陀螺仪）仅允许以合理的精度获得手腕方向，但是需要使用IR条来获得手腕翻译数据[ 16 ]。然而，在沉浸式环境中，由于屏幕尺寸和位置，使用IR LED条可能无效。事实上，Wii遥控器中的红外传感器必须对于红外线指示条是可见的，这在指向高尺寸屏幕时可能是个问题。
VR应用程序中的交互，使用Wii远程加速度计数据，范围从基本的抖动触发，到倾斜和平衡控制，直到简单的手势识别。此外，遥控器也用作指针。使用Wii Remote，Dune.Review沉浸式环境实现了多种功能，包括映射，选择对象，在用户在现实世界中移动时移动VE中的对象，更改和重置摄像机视图等等。
- 软件架构
完整的Dune软件架构，如图2所示 ，使用C 完全编码，它基于3D社区中流行的开源库，如OpenSceneGraph，Delta3D和OpenCascade。在目前阶段，我们的软件由几个模块组成：Dune核心，组件，引擎，IO和可视化。
Dune核心：核心负责解析消息（在主服务器和从服务器之间），场景处理（光，虚拟摄像机和视点）以及模块之间的通信。如Sect。中所述。 3，主工作站的任务是：
-系统配置（可视化，I / O设备，从设备，场景）;
-I / O数据和事件处理;
-数据通讯;
-客户之间的同步;
-编辑场景的功能（其中包括动画和其他模拟功能）。
通信体系结构基于Delta3D引擎，预计任何模块都会向主服务器发送消息，消息将消息转发给相应的模块或设备。
组件和参与者：从Delta3D派生，沉浸式环境中的Dune对象可以区分为组件和参与者。组件是处理必须始终在场景中的3D对象的模块，例如灯光或虚拟相机，而动态加载和投影到场景中的所有其他对象称为actor。Dune可以处理几种类型的actor，例如CAD模型或UI。由于演员可以是任何对象，程序员可以轻松实现一个新模块，该模块只是将新演员添加到场景中，为软件提供了高度的灵活性。此外，模块化的这种特定属性允许使用不同的操作功能来处理任何演员，例如可以修改CAD模型的形状，而UI可以用于选择新动作，改变虚拟相机的视点或者修改场景中的灯光。通过这种方式，数据逻辑功能被转移给参与者。
外部库： Dune底部的库集，允许加载虚拟环境中的任何actor，与任何设备的通信一样多。根据有效性，适应性，可移植性，可扩展性和可靠性的原则选择库。
IO：为了使用不同的输入和跟踪设备进行管理，Dune包含一组I / O驱动程序和接口。Dune具有模块化和灵活的软件架构。在这个问题中，可以通过插件模块以简单的方式集成设备，该模块可以转换平台内特定消息中的传感数据。这些消息使用有线连接中的网络协议发送给主站。在目前阶段，Dune集成了多种设备，如：GamePad，Space Navigator（3DConnexion），Fastrak Stylus，Microsoft Kinect和Nintendo Wii遥控器。作为其模块化的进一步优势，所引用的设备使用诸如OpenNI和WiiYourself的开源库来集成。
可视化：该模块负责Dune中的可视化处理。这部分是最重要的，以便在设计审查期间提供有效的沉浸感。每个屏幕上的可视化专用于其中一个使用以太网通信与主设备同步的从设备。遵循灵活性和便携性原则，可视化模块允许在便携式设备上进行单通道，多通道甚至立体可视化的可视化（参见图 2）。
由于我们软件的关键要求之一在于沉浸感知的最大化，因此用户必须与虚拟场景交互，在现实世界中移动。在这个问题中，图 3公开了如何在Dune.review中处理跟踪设备数据。为了保持模块性，所有传感器API与所谓的虚
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