[發明專利]一種多通道沉浸式流場可視化人機交互方法

有效

• 申請號: 202011422014.4
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112527112B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 楊超;周永國;蘇鋮宇;楊志供;喻杰;楊文祥;王岳青;代喆;趙丹
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心計算空氣動力研究所
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06F9/451
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 徐靜

本發明公開了一種多通道沉浸式流場可視化人機交互方法，通過多種交互方式將輸入信息送入交互器中，分別進行相應的交互識別工作，并完成界面或可視化結果交互，其中多種交互方式包括手勢交互、手柄交互和凝視交互。本發明在流場可視化應用中采用多通道交互方式高效完成復雜的流場可視化交互需求，將手勢、手柄和凝視三種交互方式有機結合，彌補了單一通道交互方式的弊端，提升了交互的效率。

技術領域

本發明涉及交互式流場可視化技術領域，尤其涉及一種多通道沉浸式流場可視化人機交互方法。

背景技術

流場可視化作為面向計算流體動力學(CFD)的科學計算可視化技術，是科學計算可視化研究和CFD研究的一個重要部分，流場可視化借助計算機圖形學、數據挖掘和人機交互理論，將描繪流場運動軌跡的多變量、多維度、多源、多模態物理量數據以圖形圖像的形式直觀呈現出來，并借助交互式圖形系統，從大量紛繁復雜的數據中提取有價值的信息，幫助研究人員分析和理解復雜的流場流動機理，洞察流場物理現象并發現流動科學規律，為數值模擬計算和重大工程提供意見指導和決策依據。

虛擬現實技術囊括計算機、電子信息、仿真技術于一體，其基本實現方式是計算機模擬虛擬環境從而給人以環境沉浸感。虛擬現實技術在流場可視化中的應用研究開始于上世紀90年代，但受制于當時硬件的性能與成本問題其應用范圍一直較小，隨著虛擬現實技術與流場可視化技術的并行發展，尤其是2015年以來頭戴式虛擬現實設備技術的逐步成熟，在虛擬現實環境下對流場數據進行可視化的方法正逐漸被廣泛運用。沉浸式虛擬環境下的流場可視化與傳統顯示方式下的流場可視化相比，沉浸式分析以虛擬現實環境為呈現平臺，通過多感官呈現、分析數據物理化、自然人機界面和直覺反饋分析等技術特點為用戶構建高沉浸度的數據分析環境，在空間沉浸感、用戶參與度、多維感知等方面具有分析優勢。

在國內的可視化領域中，虛擬現實技術在醫學可視化方面的應用研究較多，論文《基于游標模型的沉浸式醫學可視化非接觸式手勢交互方法》(雷金樹、王松、朱東、吳亞東，計算機輔助設計與圖形學學報，2019，31(02):208-217)，其交互系統的實現方法具體步驟如下：

(1)從手勢傳感器獲得手勢姿態信息，根據手勢姿態信息建立虛擬手勢模型。

(2)設計了4種手勢以實現位移、縮放、旋轉以及剖切4種操作，根據由手部中心發出垂直于手掌平面的射線來選中交互目標。當單手握拳時，沉浸式環境中被選中的3D圖像會隨著手的移動改變位置。而雙手握拳時，選中的3D圖像會隨著雙手中心點的移動改變位置，隨著雙手之間距離的變化調整大小，隨著雙手相對位置的變化調整方向。當單手張開時，對3D圖像進行平面切割操作，平面由手掌在沉浸式環境中的位置和方向確定。

(3)利用游標模型確定手勢的狀態，游標內保存了最近的3個手勢，系統根據這3個手勢所代表的操作可以確定此時位于交互的哪一個階段，即手勢的狀態，通過手勢識別可以得到一組不斷更新的手勢操作序列。

(4)根據手勢的姿態計算手勢事件序號，調用相應序號的交互事件；根據手勢的狀態調用交互事件的對應狀態，從而完成整個交互功能。

在高度沉浸式的虛擬現實環境中，由于用戶的整體視覺空間被渲染的可視化映射結果所覆蓋，傳統鼠標、鍵盤以及觸控屏幕等交互方式無法直接應用到沉浸式環境下。而現有的沉浸式人機交互系統絕大多數采用了單一的手柄交互、凝視交互或手勢交互，主要適用于較為簡單的軟件系統，在交互的廣度上很難高效滿足流場可視化用戶系統性的交互需求，在交互的深度上不支持流場可視化的全流程、沉浸式交互。

例如，手柄交互因交互手柄的限制無法完全模擬人的手，降低了交互的沉浸感；凝視交互因人類視線只能提供方向信息，交互效率較低，只能滿足最簡單的交互需求；手勢交互根據實現方式不同一般分為數據手套和光學識別兩種方式，采用數據手套的方式存在成本昂貴的問題，目前較為常見的光學識別方式存在識別范圍狹小以及手勢抖動的問題。

發明內容