一种核燃料后处理厂首端虚拟现实系统和方法.pdf

本发明属于虚拟现实技术，具体涉及一种能够经济、真实地模拟核燃料后处理厂首端机械操作环境的虚拟现实系统和方法。该系统包括服务器、模型处理单元、数据采集单元、I/O数据交换传输单元、显示单元、触摸屏和虚拟外设，所述触摸屏和虚拟外设的操作控制指令通过数据采集单元和I/O数据交换传输单元传输至模型处理单元，所述模型处理单元进行模型优化和动作设定，并将处理后的模型数据经服务器再次处理后传输显示于显示单元，所述的显示单元包括二维显示单元和三维显示单元，二三维结合的展示方法，沉浸感强，更加符合真实工况。本发明灵巧便捷、经济性好、占用空间小，可广泛应用于核燃料后处理厂首端设施的设计优化、设备研发和员工培训等领域。

权利要求书1.  一种核燃料后处理厂首端虚拟现实系统，包括服务器、模型处理单 元、数据采集单元、I/O数据交换传输单元、显示单元、触摸屏和虚拟外设， 所述触摸屏和虚拟外设的操作控制指令通过数据采集单元和I/O数据交换传 输单元传输至模型处理单元，所述模型处理单元进行模型优化和动作设定， 并将处理后的模型数据经服务器再次处理后传输显示于显示单元，其特征在 于：所述的显示单元包括二维显示单元和三维显示单元，所述的二维显示单 元采用液晶显示屏，虚拟热室摄像头的显示效果；所述的三维显示单元包括 多套反射投影装置，每套反射投影装置由暗箱、圆柱形硬质屏幕、三维投影 仪、反射镜组成，所述的三维投影仪和反射镜布置在暗箱内部，圆柱形硬质 屏幕固定于暗箱壁面上，三维投影仪将模拟的操作人员视场的三维画面投射 于反射镜，并经反射镜反射至圆柱形硬质屏幕予以显示。 2.  如权利要求1所述的核燃料后处理厂首端虚拟现实系统，其特征在 于：所述的三维显示单元由四套所述的反射投影装置组合布置而成，四套反 射投影装置的圆柱形硬质屏幕拼接成一个180度全包覆的显示柱面，在显示 柱面的圆柱焦点处设置模拟操作台，所述触摸屏和虚拟外设布置在模拟操作 台。 3.  如权利要求1所述的核燃料后处理厂首端虚拟现实系统，其特征在 于：所述的模型处理单元将模型的网格面统一转化为三角形网格面，对于多 维度变化较大的三角形顶点予以保留，对于单维度变化较小的三角形顶点进 行删除，剩余节点重新进行计算，生成新的三角形网格面，并对模型表面赋 材质和进行表面贴图；动作设定采用激发步进方式，虚拟动作信号送至模型 处理单元后，模型被激发，按步长做出定量的位移或旋转，所设置的步长δ ＝v/(24～30)，其中v为运动速度。 4.  如权利要求1所述的核燃料后处理厂首端虚拟现实系统，其特征在 于：所述的数据采集单元采用机电转换数据采集卡，将虚拟外设的机械信号 转换为计算机可识别的电信号；所述的I/O数据交换传输单元采用无条件传 送方式。 5.  如权利要求1所述的核燃料后处理厂首端虚拟现实系统，其特征在 于：所述触摸屏模拟按键和滑块操控设备的控制盘，通过切换不同页面来模 拟不同设备的控制盘；所述虚拟外设采用摇杆模拟机械手的操作并实现人员 视场的转动。 6.  一种权利要求1所述的核燃料后处理厂首端虚拟现实系统的实现方 法，包括如下步骤： (1)模型处理单元采用网格面简化和材质处理相结合的方式对初始模型 进行处理，并对模型运动部件的动作进行设定； (2)使用触摸屏模拟控制盘，虚拟外设模拟后处理厂首端的机械操作， 并将虚拟操作信号传送给服务器； (3)服务器获取模型处理单元处理后的模型，并根据传送来的虚拟操作 信号对模型进行再次处理，按照虚拟操作信号对模型各部件的参数信息进行 调整，将新的模型信息传送至显示单元，并将相应的反馈信息反向传送至触 摸屏和虚拟外设； (4)显示单元的二维显示单元和三维显示单元分别接收服务器传送的模 型信息，并在屏幕上显示。 7.  如权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，模型处理单 元将模型的网格面统一转化为三角形网格面，对于多维度变化较大的三角形 顶点予以保留，对于单维度变化较小的三角形顶点进行删除，剩余节点重新 进行计算，生成新的三角形网格面，并对模型表面赋材质和进行表面贴图； 动作设定采用激发步进方式，虚拟动作信号送至模型处理单元后，模型被激 发，按步长做出定量的位移或旋转，所设置的步长δ＝v/(24～30)，其中v 为运动速度。 8.  如权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，触摸屏模拟 控制盘的信号直接通过I/O数据交换传输单元采用无条件传送方式传送给服 务器；虚拟外设首先使用机电转换数据采集卡将机械操作转换为计算机识别 的电信号，然后通过I/O数据交换传输单元采用无条件传送方式传送给服务 器。

说明书一种核燃料后处理厂首端虚拟现实系统和方法
技术领域
本发明属于虚拟现实技术，具体涉及一种能够经济、真实地模拟核燃料后 处理厂首端机械操作环境的虚拟现实系统和方法。
背景技术
核燃料后处理厂首端热室内放射性水平十分高，其内部机械操作都是通过 动力手、遥控吊车、机械手等进行远距离操作。厚重的混凝土墙、窄小的内部 操作空间、朦胧的观察窗(观察窗由多层铅玻璃组成并在两层玻璃之间充油)， 给远距离操作带来了非常大困难，操作中经常出现定位困难、夹持偏差等问题， 设备碰撞或掉落的事件时有发生，严重影响工作效率，甚至会造成操作人员的 超剂量工作，或部分设备的放射性沾污。目前，核燃料后处理厂都是通过长时 间的冷调试和操作培训来进行热室内部结构整改优化和提高员工操作技能。但 是，长时间的冷调试和结构整改会消耗大量人力物力，造成过多的能源消耗； 操作培训往往需要搭建1:1的模拟热室，为保证培训效果，还需构建完整的热 室场景，购置培训用的各种机械部件，经济性差。
在核电、舰艇、汽车等领域都已使用虚拟现实技术开展了设计验证、员工 培训等方面工作，但多是漫游类的展示性应用，缺少信息反馈；此外，在航空 航天、医疗等领域已应用力学反馈系统，实现人机互动，但是这种设备往往功 能单一、价格昂贵，近些年也没有质的发展与进步，难以普及。后处理首端涉 及十多种关键设备需要远程操作，操作控制盘和遥控装置五花八门、不能通用， 如采用现有技术和方法，需要将操控部件逐一进行创建，还需配备相应的信息 反馈系统，造价成本将会大幅增加，占用空间也会十分巨大。而且，后处理工 程首端设施中许多关键设备正处于补充完善并改进优化的阶段，控制方式和操 作盘面也在不断变化，虚拟控制硬件设施难以得到复用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能够经济、真实地模 拟核燃料后处理厂首端机械操作环境的虚拟现实系统和方法，减少系统成本 和空间的消耗，增加系统复用性和真实性，便于开展后处理厂首端设施的设 计优化和培训教学等工作，从而帮助减少调试过程中的设计整改和营运过程 中误操作造成的放射性沾污。
本发明的技术方案如下：一种核燃料后处理厂首端虚拟现实系统，包括 服务器、模型处理单元、数据采集单元、I/O数据交换传输单元、显示单元、 触摸屏和虚拟外设，所述触摸屏和虚拟外设的操作控制指令通过数据采集单 元和I/O数据交换传输单元传输至模型处理单元，所述模型处理单元进行模 型优化和动作设定，并将处理后的模型数据经服务器再次处理后传输显示于 显示单元，其中，所述的显示单元包括二维显示单元和三维显示单元，所述 的二维显示单元采用液晶显示屏，虚拟热室摄像头的显示效果；所述的三维 显示单元包括多套反射投影装置，每套反射投影装置由暗箱、圆柱形硬质屏 幕、三维投影仪、反射镜组成，所述的三维投影仪和反射镜布置在暗箱内部， 圆柱形硬质屏幕固定于暗箱壁面上，三维投影仪将模拟的操作人员视场的三 维画面投射于反射镜，并经反射镜反射至圆柱形硬质屏幕予以显示。
进一步，如上所述的核燃料后处理厂首端虚拟现实系统，其中，所述的 三维显示单元由四套所述的反射投影装置组合布置而成，四套反射投影装置 的圆柱形硬质屏幕拼接成一个180度全包覆的显示柱面，在显示柱面的圆柱 焦点处设置模拟操作台，所述触摸屏和虚拟外设布置在模拟操作台。
进一步，如上所述的核燃料后处理厂首端虚拟现实系统，其中，所述的 模型处理单元将模型的网格面统一转化为三角形网格面，对于多维度变化较 大的三角形顶点予以保留，对于单维度变化较小的三角形顶点进行删除，剩 余节点重新进行计算，生成新的三角形网格面，并对模型表面赋材质和进行 表面贴图；动作设定采用激发步进方式，虚拟动作信号送至模型处理单元后， 模型被激发，按步长做出定量的位移或旋转，所设置的步长δ＝v/(24～30)， 其中v为运动速度。
进一步，如上所述的核燃料后处理厂首端虚拟现实系统，其中，所述的 数据采集单元采用机电转换数据采集卡，将虚拟外设的机械信号转换为计算 机可识别的电信号；所述的I/O数据交换传输单元采用无条件传送方式。
进一步，如上所述的核燃料后处理厂首端虚拟现实系统，其中，所述触 摸屏模拟按键和滑块操控设备的控制盘，通过切换不同页面来模拟不同设备 的控制盘；所述虚拟外设采用摇杆模拟机械手的操作并实现人员视场的转动。
一种上述核燃料后处理厂首端虚拟现实系统的实现方法，包括如下步骤：
(1)模型处理单元采用网格面简化和材质处理相结合的方式对初始模型 进行处理，并对模型运动部件的动作进行设定；
(2)使用触摸屏模拟控制盘，虚拟外设模拟后处理厂首端的机械操作， 并将虚拟操作信号传送给服务器；
(3)服务器获取模型处理单元处理后的模型，并根据传送来的虚拟操作 信号对模型进行再次处理，按照虚拟操作信号对模型各部件的参数信息进行 调整，将新的模型信息传送至显示单元，并将相应的反馈信息反向传送至触 摸屏和虚拟外设；
(4)显示单元的二维显示单元和三维显示单元分别接收服务器传送的模 型信息，并在屏幕上显示。
进一步，如上所述方法的步骤(1)中，模型处理单元将模型的网格面统 一转化为三角形网格面，对于多维度变化较大的三角形顶点予以保留，对于 单维度变化较小的三角形顶点进行删除，剩余节点重新进行计算，生成新的 三角形网格面，并对模型表面赋材质和进行表面贴图；动作设定采用激发步 进方式，虚拟动作信号送至模型处理单元后，模型被激发，按步长做出定量 的位移或旋转，所设置的步长δ＝v/(24～30)，其中v为运动速度。
进一步，如上所述方法的步骤(2)中，触摸屏模拟控制盘的信号直接通 过I/O数据交换传输单元采用无条件传送方式传送给服务器；虚拟外设首先 使用机电转换数据采集卡将机械操作转换为计算机识别的电信号，然后通过 I/O数据交换传输单元采用无条件传送方式传送给服务器。
本发明的有益效果如下：本发明涉及的核燃料后处理厂首端虚拟现实系 统和方法为后处理厂首端机械操作提供了一种全新的模拟操作方式，通过三 维模型展示首端热室的完整场景，采用多屏幕、二三维结合的展示方法，沉 浸感强，更加符合真实工况；使用的触摸屏操作盘和虚拟外设能够真实地模 拟实际工况，不用按照实际需求购置和搭建热室及其配套硬件设施。本发明 灵巧便捷、经济性好、占用空间小，可广泛应用于核燃料后处理厂首端设施 的设计优化、设备研发和员工培训等领域。
附图说明
图1为本发明的一种核燃料后处理厂首端虚拟现实系统的基本构成示意图；
图2a和图2b为本发明的一种核燃料后处理厂首端虚拟现实系统三维显示 单元构成及布置示意图；
图3为本发明的一种核燃料后处理厂首端虚拟现实系统的一种典型实施方 式逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明所提供的一种核燃料后处理厂首端虚拟现实系统和方法，包括虚拟 操作、网络交换、模型处理和效果展示，虚拟操作做出的控制指令通过网络交 换传送到服务器，模型处理单元对初始模型进行模型优化和动作设定，并将处 理后的模型传输至服务器，服务器中的首端模型做出相应变动后在效果展示设 备中予以展现。
所述的效果展示设备采用多屏幕、二三维结合的显示方式，三维屏幕显示 人员视场，增加沉浸真实感；辅助屏幕为二维显示方式，模拟热室摄像头的显 示场景，能够更加真实地表现后处理首端设施的操作环境。
其中，三维显示采用暗箱背投方式，投影装置安装于暗箱内部，通过内部 镜面反射投映于圆柱形硬质屏幕之上，多套背投装置环绕布置覆盖体验用户的 环向全视场，虚拟操作台位于显示柱面的焦点，能够最大程度的增加用户沉浸 感，反射背投还可显著减少显示系统的占用空间。
模型处理包含模型优化和动作设定。其中，模型优化采用的是网格面简化 和表面材质处理相结合的方式，网格面简化是将原有模型各种类型的网格面统 一转化为三角形网格面，然后进行坐标换算，对于多维度变化较大(小曲面) 的三角形顶点予以保留，对于单维度变化较小(平整面或大曲面)的三角形顶 点进行删除，剩余节点重新进行计算，生成新的三角形网格面，这样就能显著 减少网格面数量，从而降低模型数据量；网格面简化后的模型显示效果较差， 通过建立材质库，对模型表面赋材质和表面贴图的方式，可充分体现虚拟模型 原型设备的材质和表面纹理特征，提高了模型展示质量，更增加了虚拟模型的 真实感。虚拟动作设定为激发步进方式，虚拟动作信号传送至计算机后，模型 被激发，做出定量(一个步长)的位移或旋转，表现为“跳跃性”位移，对于 运动过程而言，步长过大会影响展示的连续性，而步长过小又会增大计算机的 数据处理量，通过计算分析，设置步长为δ＝v/(24～30)即可，其中v为运动 速度，这种小步长的设定能够有效虚拟实际工况中的无极运动，真实地反应实 际运动情况，并能显著降低计算机系统资源占用量。
网络交换包含数据采集和I/O数据交换传输，数据采集使用的是机电转换 数据采集卡，将虚拟外设的机械信号转换为电信号，以便计算机识别；I/O数据 交换传输采用的是无条件传送方式，计算机CPU动作与外设完全同步，两者进 行实时通讯和数据传输，CPU直接分配部分资源给相应外设，避免了数据接收时 对外设进行查询造成的额外运算，及数据输入时排队等待造成的延迟，更符合 首端遥控设备实际工作过程中即时性的控制特点。
虚拟操作使用的是触摸屏操作盘和虚拟外设，触摸屏操作盘模拟按键和滑 块操控设备的控制盘，通过切换不同页面来模拟不同设备的控制盘，节约成本 和空间，经济性好；虚拟外设使用摇杆模拟机械手的操作并实现人员视场的转 动，采用下支撑的形式，能够显著减少空间占用量，且建造成本远低于实际机 械手价格。
实施例
如图1所示，一种核燃料后处理厂首端虚拟现实系统的基本构成主要包括 二维显示单元、三维显示单元、服务器、模型处理单元、触摸屏、I/O数据交换 传输单元、数据采集单元和虚拟外设。
其中，二维显示单元采用普通液晶显示屏，通过在三维模型固定位置安置 摄像机的方法，虚拟热室摄像头的显示效果；三维显示单元采用暗箱背投的方 式，减小了系统占用空间。服务器是数据存储和处理的主要设备，接收虚拟控 制指令，并将相应数据传输显示于二维显示单元和三维显示单元。模型处理单 元包含模型优化和动作设定，通过网格面简化和材质处理减小模型数据量并提 高显示质量，将原有模型各种类型的网格面统一转化为三角形网格面，然后进 行坐标换算，对于多维度变化较大(小曲面)的三角形顶点予以保留，对于单 维度变化较小(平整面或大曲面)的三角形顶点进行删除，剩余节点重新进行 计算，生成新的三角形网格面，这样就能显著减少网格面数量，从而降低模型 数据量；通过小步长动作设定降低了计算机系统资源占用率并保证了显示效果， 虚拟动作设定为激发步进方式，虚拟动作信号传送至计算机后，模型被激发， 做出定量(一个步长)的位移或旋转，通过计算分析，设置步长为δ＝v/(24～ 30)即可，其中v为运动速度。触摸屏用来模拟按键和滑块操控设备的控制盘， 通过页面切换可以实现不同设备不同种类控制盘之间的相互切换，既降低了成 本，又提高了工作效率。I/O数据交换传输单元采用无条件传送方式，能够更加 真实地体现机械操作的即时性，又可在一定程度上减少CPU程序的无用查询。 数据采集单元采用机电转换数据采集卡，将虚拟外设的机械操作转换为计算机 可识别的电信号。虚拟外设主要采用摇杆装置，模拟机械手的操作，并实现人 员视场的转动，此摇杆装置采用下支撑的形式，可直接固定于桌面或地面，避 免了上支撑所需的支架，显著减少了空间占用量，且经济性好。
三维显示单元构成及布置的结构如图2a、图2b所示，三维显示单元主要由 暗箱1、圆柱形硬质屏幕2、三维投影仪3、反射镜4四部分组成，投影仪3与 反射镜4布置于暗箱1内部，圆柱形硬质屏幕2固定于暗箱1壁面上，投影仪3 将三维画面投射于反射镜4上，反射至圆柱形硬质屏幕2予以显示。此三维显 示单元由四套反射投影装置组合布置而成，圆柱形硬质屏幕2拼接为一个巨型 的180度全包覆显示柱面，模拟操作台5位于圆柱焦点处，触摸屏和虚拟外设 布置在模拟操作台，能够实现参与者的全视场覆盖。这种投映方式和布置方式， 大大降低了空间占用量，并显著提高了显示沉浸感。
如图3所示，本发明实施过程中，主要包括虚拟操作、网络交换、模型处 理和效果展示四种运行流程，具体实施方式包括以下五步：
第一步，对初始模型进行处理。采用网格面简化和材质处理相结合的方式， 减少模型数据量，并提高模型的显示效果；同时，对模型运动部件的动作进行 设定，采用小步长的方式虚拟实际的机械运动，既避免了展示过程中的“跳帧” 现象，又比定速度的动作设定减少了系统资源占用量，可显著提高计算机系统 的运行流畅性。
第二步，使用触摸屏操作盘和虚拟外设模拟后处理厂首端的机械操作。对 于按键和滑块操控设备的控制盘，采用触摸屏进行模拟，采用多页面切换的方 式，对不同设备、不同类型的控制盘面进行切换，既节省了实体模拟控制盘的 制造成本，又为操作提供了便捷，并在一定程度上减少了整个系统的空间占用 量；对于机械手，使用摇杆作为虚拟外设，摇杆采用下支撑方式，经济便捷， 又能很好的模拟主动手各个自由度的运动。
第三步，网络交换单元接收转换虚拟操作信号，并传送给服务器进行模型 处理。触摸屏操作盘信号可直接通过I/O数据交换传输单元采用无条件传送方 式传送给服务器，而摇杆等虚拟外设则首先需要使用机电转换数据采集卡将机 械操作转换为计算机识别的电信号才能进行传输。
第四步，服务器根据网络交换单元传送来的控制信号，对模型进行二次处 理。服务器根据模型优化和动作设定情况，按照控制信号对模型各部件的参数 信息进行调整，将新的模型信息传送至效果展示设备，并将相应的反馈信息反 向传送至虚拟操作设备。
第五步，三维显示和二维显示单元接收服务器传送的模型信息，并显示于 屏幕之上。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本 发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利 要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。