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基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的自行車漫游系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)
摘要：一種實(shí)時(shí)自行車漫游系統(tǒng)（VR-BWS）。該系統(tǒng)以健身車作為人機(jī)交互的工具，綜合運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)、傳感器、DPS控制等技術(shù)，并通過(guò)立體顯示等多通道交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人在虛擬環(huán)境中的漫游，使參與者在由計(jì)算機(jī)構(gòu)造的虛擬場(chǎng)景中獲得了如同在真實(shí)環(huán)境中騎車的體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)是計(jì)算機(jī)生成的、給人多種感官刺激的虛擬世界（環(huán)境），是一種高級(jí)的人機(jī)交互系統(tǒng)。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)讓使用者在與虛擬環(huán)境產(chǎn)生交互行為時(shí)的感受與真實(shí)環(huán)境中的感受完全一樣。而現(xiàn)有的漫游系統(tǒng)大多采用二維交互界面，即采用鼠標(biāo)（二維輸入）和鍵盤(pán)（線性輸入）作為交互設(shè)備，遵循著“窗口-圖標(biāo)-菜單-指定”（Windows-Icon-Menu-Pointer,簡(jiǎn)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(jī)交互的工具，設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)自行車漫游系統(tǒng)VR-BWS。該系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用了傳感器技術(shù)、DSP控制技術(shù)，采用了多線程、非阻塞的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信技術(shù)，并通過(guò)立體顯示等多通道交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人在虛擬環(huán)境中的漫游，使參與者在由計(jì)算機(jī)構(gòu)造的虛擬場(chǎng)景中獲得了如同在真實(shí)環(huán)境中騎車的體驗(yàn)，是把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的一個(gè)有益嘗試，應(yīng)用前景十分廣闊。
1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理
當(dāng)參與者騎在自行車上運(yùn)動(dòng)時(shí)，自行車的速度、方向、籠頭往上提的時(shí)間和力度以及騎車人自身重量等數(shù)據(jù)，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集，然后經(jīng)由DSP控制電路傳送到上位機(jī)中，經(jīng)過(guò)分析處理，使其在屏幕的虛擬場(chǎng)景得到仿真和展示，在虛擬場(chǎng)景里達(dá)到表演的效果；同時(shí)，當(dāng)屏幕中的場(chǎng)景變化時(shí)，如上坡、下坡等，也可以通過(guò)控制軟件反饋到自行車的控制器上，產(chǎn)生阻尼/驅(qū)動(dòng)力，使騎車人有上述場(chǎng)景產(chǎn)生的上、下坡的感覺(jué)，從而獲得好的沉浸感。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
2 關(guān)鍵技術(shù)
2.1 人機(jī)交互傳感器技術(shù)
在本自行車漫游系統(tǒng)中，主要是借助各種傳感器實(shí)時(shí)地捕捉人體作用于自行車而產(chǎn)生的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)，輸入到計(jì)算機(jī)，作用于虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)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(zhuǎn)，并以增量式編碼方式記錄自行車車輪旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的脈沖，然后將檢測(cè)到的脈沖數(shù)據(jù)換成車輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，即自行車相對(duì)于某一參考點(diǎn)的瞬時(shí)位置；VR-BWS中使用了角位移傳感器檢測(cè)車把轉(zhuǎn)角，控制場(chǎng)景中視點(diǎn)和視線的方向；在場(chǎng)景中設(shè)計(jì)有沒(méi)寬度的溝壑和天塹，根據(jù)騎車人的體重和速度來(lái)判斷能否沖過(guò)去，仿真飛越長(zhǎng)城和黃河等，因此在自行車的車把和座位處安裝了用來(lái)測(cè)量提力和人體重量的力傳感器。
2.2 DSP控制技術(shù)
底層控制均由DSP系統(tǒng)完成。DSP處理系統(tǒng)的CPU采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A，使用該芯片是為了保證上位機(jī)和下位機(jī)之間傳感器數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)雙向傳遞的實(shí)時(shí)性，減少運(yùn)動(dòng)跟蹤和信息反饋環(huán)節(jié)的延時(shí)。
2.2.1 傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集
在DSP的事件管理器EV模塊中，有一個(gè)正交編碼脈沖電路QEP。該電路使能后，可以在編碼和計(jì)數(shù)引腳上輸入由光電編碼器產(chǎn)生的正交編碼脈沖。正交編碼脈沖電路的基可由通用定時(shí)器提供，在程序中通用定時(shí)器設(shè)置成定向增計(jì)數(shù)模式，并以正交編碼脈沖電路作為時(shí)鐘源。由角位移傳感器和力傳感器采集到的角度數(shù)據(jù)和力數(shù)據(jù)是模擬信號(hào)，通過(guò)DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后存入的結(jié)果寄存器中。
2.2.2 多線程、非阻塞的實(shí)時(shí)通信技術(shù)
TMS320LF2407A的串行通信接口SCI模塊可以通過(guò)RS232轉(zhuǎn)換芯片與PC機(jī)進(jìn)行異步通信。因?yàn)橛蓚鞲衅鲗?shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)DSP的SCI串口傳給上位機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)虛擬場(chǎng)景中的地形數(shù)據(jù)需要下傳來(lái)達(dá)到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩的目的，模擬人騎自行車上、下坡時(shí)的感覺(jué)，在程序中把它設(shè)置成全雙工方式。
使用多路傳感器作為三維場(chǎng)景漫游的視點(diǎn)跟蹤傳感器時(shí)，必須不斷地從串口采集各路傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以跟蹤觀察者對(duì)視點(diǎn)位置和視線方向的改變。通常有兩種方式：（1）在應(yīng)用程序中創(chuàng)建定時(shí)器；（2）采用多線程的應(yīng)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(jī)傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此為定時(shí)器選擇適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)周期是關(guān)鍵，否則很容易造成數(shù)據(jù)丟失。另外，由于應(yīng)用程序需要不斷地響應(yīng)定時(shí)器函數(shù)，因此三維場(chǎng)景的繪制速度必然會(huì)受到影響。筆者采用了第二種方法，具體如下：
在VC環(huán)境下開(kāi)發(fā)了基于RS232協(xié)議的實(shí)時(shí)通信軟件，可以與虛擬環(huán)境軟件部分直接相連，并采用了多線程、非阻塞的實(shí)時(shí)漫游框架，在輔助線程中監(jiān)視串口，有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)依靠事件驅(qū)動(dòng)，讀入數(shù)據(jù)并向主線程報(bào)告；并且WaitCommEvent（）、ReadFile()、WriteFile()都使用了非阻塞通信技術(shù)，依靠重疊（overlapped）讀寫(xiě)操作，讓串口讀寫(xiě)操作在后臺(tái)運(yùn)行。每當(dāng)主線程收到由輔助線程傳過(guò)來(lái)的新一幀數(shù)據(jù)后，首先對(duì)它進(jìn)行判斷，只有在它相對(duì)于上一幀狀態(tài)數(shù)據(jù)的變化超過(guò)規(guī)定閾值的情況下，才能開(kāi)始更新用戶視口內(nèi)的場(chǎng)景顯示，從而避免由于參與者的微小運(yùn)動(dòng)而引起的不必要的場(chǎng)景重繪。
2.3 虛擬場(chǎng)景的構(gòu)造及其實(shí)時(shí)顯示技術(shù)
目前，從技術(shù)角度上講，漫游的最大難點(diǎn)在于建模和實(shí)時(shí)繪制，需要在模型的精細(xì)程度和繪制速度方面取一個(gè)折衷，既要保證一定的繪制質(zhì)量，又不能造成用戶的運(yùn)動(dòng)不適感。在建模和實(shí)時(shí)顯示方面采用了各種技術(shù)，以保證實(shí)時(shí)性。
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