碰撞交互技術在電力仿真培訓系統中的應用

摘 要： 針對傳統電力仿真培訓系統中角色與對象交互的實時性差及可操作性弱的問題，根據電力安全技能培訓目標與操作人員實際的作業流程，采用碰撞檢測和實時交互等虛擬現實技術，開發基于3D虛擬現實的電力安全技能仿真培訓系統。該系統解決了角色與對象的3D實時交互問題。實驗結果表明了系統的實時交互和可操作性能得到了顯著提高。

關鍵詞： 電力仿真培訓系統； 虛擬現實； AABB包圍盒； 膠囊體碰撞檢測； 實時交互

中圖分類號： TN911?34； TP391.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）10?0156?03

傳統電力仿真培訓系統采用3D場景漫游和UI交互模式，解決了實際電力系統規模龐大、造價昂貴，及其運行的特殊性帶來的電力培訓困難[1]。但是，由于UI交互模式本身的局限性，傳統電力仿真系統無法滿足電力系統的操作性和實時性的培訓需求。針對上述問題，本文擬采用碰撞交互技術，結合現場作業人員的操作技能、安全意識方面的培訓要求，開發一套能夠模擬電力現場場景和作業流程、具有3D交互功能的仿真培訓系統，使學員在這個虛擬環境中，生動、形象、直觀地操作虛擬的設備及觀察由操作產生的結果。

1 碰撞檢測技術設計

3D系統中角色與對象交互的真實性，只有建立在碰撞檢測基礎上，才能達到擬真度與沉浸感的要求[2]。物理模擬系統要求碰撞檢測要有非常高的精確度，微小的擾動誤差都會導致模擬結果與預想或現實相悖[3]。與物理模擬系統不同，虛擬仿真系統也要求碰撞檢測具有較高的運算效率，但不要求結構十分精確，所以只要求碰撞檢測算法快速判斷物體是否發生碰撞[4]。從運算效率上考慮，對已分割好的場景空間先采用AABB包圍盒檢測技術[5?6]，然后應用本文提出的膠囊體碰撞檢測技術進一步細化檢測。

1.1 AABB包圍盒檢測技術

1.2 膠囊體碰撞檢測技術

由于AABB緊密性差，進行碰撞檢測會留下很大空隙，導致角色與對象的密切交互嚴重失真。為了提高仿真系統的擬真度，還須進一步進行膠囊體碰撞檢測。

為了避免膠囊體與AABB包圍盒判斷重疊時發生重復計算，在檢測碰撞膠囊體與AABB包圍盒是否發生碰撞時，采用將整個膠囊體與AABB包圍盒同時進行判斷的方法。

1.2.1 膠囊體區域的定義

2 3D交互設計

除了碰撞檢測，角色與對象還要通過3D交互技術才能完成實時仿真交互。

3 碰撞交互仿真結果分析

3.2 仿真結果

從運行效率上比較，傳統UI交互只需點擊主菜單即彈出UI界面，無需進行任何判斷；而碰撞交互卻要經過碰撞檢測才能實現實時交互，運行效率相對較低，具體如表1所示。但是，只要幀率[>30 f/s]，即不影響動畫的流暢性和逼真性，幀率高對系統顯卡處理能力的要求也高，若超過顯卡處理能力，反而會降低畫面的流暢性。

表1 三種交互方式效率比較

4 結 語

本文重點討論了膠囊體碰撞檢測技術及其在實時交互中的應用，仿真結果表明：采用本文提出的碰撞交互技術能提高系統的交互性和可操作性，使用戶更能切身體會電力作業流程中的各個細節，有利于培訓對象快速掌握現場操作等作業流程的要領，以及領悟誤操作導致的嚴重后果；同時也為其他行業研發相關仿真系統提供參考。

參考文獻

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