用于虚拟现实的人机交互笔的研究与应用

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人机交互是由计算机、人、交互设备、输入输出设备及对应的人机交互界面组成的系统,其中人机交互设备起到非常重要的作用。人机交互设备由传统的鼠标、键盘发展到采用数据手套、交互笔等新方式出现。由于传统人机交互设备的自由度有限,新的交互设备设计、实现复杂,笔式交互设备在虚拟现实场景中的应用还很少。因此,本文提出和实现了一种用于虚拟现实的人机交互笔,并且实现了在虚拟现实场景中的应用。本课题的主要工作有:第一,在已有人机交互技术的基础上,提出了一种用于虚拟现实的人机交互笔,该人机交互笔由实体交互笔和虚拟交互笔两部分组成。对新型人机交互笔及交互方式的原理进行分析,建立坐标,构建了满足特性的交互笔模型,分析系统所要采用的硬件组成和软件系统平台,为后面研究应用奠定基础。第二,在实体交互笔建立、深入研究四元数解算姿态角算法、离散卡尔曼滤波器原理和扩展离散卡尔曼滤波器原理的基础上,提出了四元数差与EKF算法结合的解算姿态算法。实验结果证明,人机交互笔静止态方位姿态角稳定性提高了0.6576%,低速运动态方位姿态角稳定性提高了 0.51780%,同时利用上位机和下位机实现了实体交互笔与虚拟交互笔的实时通信。第三,在OpenGL三维可视化基础上,通过导入和渲染3D模型、采用各种矩阵变换、指定颜色、光照设置、纹理贴图映射、可编程着色器等技术实时渲染出逼真的虚拟现实场景,作为人机交互的可视化虚拟界面,并且在虚拟现实场景中构建一条与实体交互笔相对应的虚拟控制笔。第四,分析传统经典射线拾取法的原理及缺陷,传统包围体策略的优缺点,提出了形状判定阈值策略方法,通过新型人机交互方式与改进的包围体策略相结合的方式,实现对3D模块更加精确快速的拾取。实验结果证明,本文所提出的算法对模块的拾取速度提高了 16.66%,对3D模型相邻模块边缘的拾取误判率从单一包围体的71.26%降低到改进后的12.80%。通过本论文的研究工作,实现了新型人机交互笔的建模与应用。提出四元数差与EKF算法结合的姿态解算算法,有效提高了人机交互笔空间姿态角的稳定性。建立逼真的虚拟现实场景,采用改进的包围体策略,实现新型人机交互笔在虚拟场景中对3D模型更加精确、快速的拾取,具有一定的实用价值。
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