高逼真近现实沉浸式全景跳伞仿真机
技术领域
本发明涉及虚拟现实和人工智能相关的商业、教育、娱乐、教学等领域，本发明提供高逼真近现实沉浸式全景跳伞仿真机，采用基于虚拟现实技术和垂直风洞技术，并结合自研的自适应伺服伞绳系统，构建一个能获得与真实跳伞过程体验相符的仿真环境，体现跳伞过程中的视觉、听觉、动感、力感、速度感。高逼真近现实沉浸全景式跳伞仿真机由虚拟跳伞分系统和垂直风洞分系统组成。虚拟跳伞分系统利用影视级的渲染引擎为虚拟跳伞提供先进逼真的模拟仿真环境，主要用于跳伞程序和伞衣操纵模拟，通过逼真模拟伞衣操纵过程及响应特性并实时反馈给玩家，使其获得和真实跳伞过程具有相同特性的动感和力感。佩戴虚拟现实眼镜的人员被伞带吊在半空，在各种虚拟环境下练习跳伞。借助于高清晰显示器，其他人员可以看到每位玩家透过虚拟现实眼镜看到的全过程。垂直风洞分系统基于复杂气象条件下的伞衣操纵建模与仿真，通过人工控制气流逼真模拟伞降过程，用于开伞前空中姿态控制的模拟，呈现逼真的空气动力学跳伞体验。
背景技术
利用风洞模拟跳伞具有巨大的实用价值和商业价值，除军事跳伞模拟训练外，一些民营跳伞院校也利用风洞训练学员完成模拟跳伞训练任务，而一些游乐设施也采用垂直风洞为游客提供模拟飞行的新体验。目前跳伞模拟训练系统基本分为两大类，一类为基于垂直风洞的人体飞行模拟，另一类为基于虚拟现实的虚拟跳伞机。垂直风洞人体飞行模拟由于在风洞上物体没有被锚固而是自由地漂浮，无法满足跳伞特定条件下给人的沉浸感和环境特效的冲击感。市面现有的跳伞机外观精致漂亮如图1所示，但没有给人带来刺激、惊险、极限挑战的征服欲和丰富的娱乐体验需求，且全景画面失真，画面的低刷新率给人造成的高晕眩感也让人望而却步。针对娱乐用跳伞仿真模拟具有仿真化程度低，对玩家吸引力不足，以及军事跳伞实地训练具有受伤率高、耗费时间多、成本投入大、组织保障困难等问题。
虚拟现实技术，也称虚拟环境，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉等感官的模拟，让用户感觉仿佛身历其境，可以即时、没有限制地观察三维空间内的事物。用户进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的三维世界影像传回产生临场感。该技术集成了电脑图形、电脑仿真、人工智能、感应、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由电脑技术辅助生成的高技术模拟系统。垂直风洞是一种将气流以垂直方式流动的风洞，如图2所示立式垂直风洞主体结构，通常被用于室内漂浮或是人体飞行，也常被使用在太空行走的训练上，是一种娱乐用风洞。垂直风洞主要的功能是让人类在不借助飞行伞、滑翔翼等等飞行器具的状况下，借由垂直产生的气流在空气中飘浮飞行。向上吹送的气流时速约为195公里/小时(120英里或55米/每秒)，这是由人类在腹部朝下时的估算出的终端速度因为它的飞行模式带给人的感觉，十分近似真正的空中飞翔的感觉。
高空跳伞室内模拟是模拟跳伞中的一个难点，现有的方案，产品难以模拟实际跳伞的失重感。如果有效结合基于虚拟现实的沉浸式虚拟跳伞技术和基于垂直风洞的高逼真模拟跳伞技术，构建虚拟跳伞分系统和垂直风洞分系统，分别实现不同阶段，不同体验的针对模拟，虚实有机结合，提高跳伞一体化模拟水平。
发明内容
本发明的目的在于一种高逼真近现实沉浸式全景跳伞仿真机，根据跳伞实际训练过程，提出采用垂直风洞技术、先进的虚拟现实技术和自适应伺服伞绳模拟系统，来构建逼真的空中跳伞模拟训练环境的技术产品。可对受训者从离开飞机到着陆全阶段的空中姿态控制、伞衣操纵技能及降落伞出现故障时的特殊情处理进行模拟训练，使体验者的交互感和沉浸感更加真实，为也为机组人员应急生存跳伞、特种作战力量的伞降提供先进逼真的训练手段，并提高跳伞训练效益、降低安全风险。高逼真近现实沉浸式全景跳伞仿真机总体结构图如图3所示，基于虚拟现实技术和垂直风洞技术的跳伞模拟系统，采用自适应伺服伞绳来模拟跳伞人员的跳伞安全吊带。垂直风洞给用户在风洞跳伞模拟过程营造强烈的失重感，反馈给身体真实的体感。全景仿真视角和高清全景画面模拟环境特效，沉浸感强烈。自适应伺服伞绳模拟跳伞安全吊带，并可进一步模拟真实的跳伞时受到降落伞牵引的场景，并确保了受训人员的安全性。搭配定制开发的软件，实现互动信号精准传输及体感定位，根据用户的动作精准的适配内容，在灵敏无延迟的前提下开放用户的自由度，稳定可靠。
高逼真近现实沉浸式全景跳伞仿真机由虚拟跳伞分系统和垂直风洞分系统组成。前者主要用于跳伞程序和伞衣操纵模拟，后者主要用于开伞前空中姿态控制的模拟，系统主体组成如图4所示。虚拟跳伞的核心关键在于构建一个能获得与真实跳伞过程体验相符的仿真环境，体现跳伞过程中的视觉、听觉、动感、力感、速度感。虚拟跳伞分系统根据伞降操作程序与操作原理进行设计，通过构建沉浸式跳伞环境，使玩家获得如同真实跳伞的感受和体验达到体验目的。该分系统由控制模拟子系统和伞降模拟子系统组成，其中控制模拟子系统具有模拟环境设置、模拟过程监控、模拟结果评估、模拟过程记录回放及辅助讲评等功能，辅助导调员或教练员完成跳伞模拟的组织实施工作；伞降模拟子系统主要用于模拟跳伞的虚拟环境及伞衣操作效果。垂直风洞系统通过人工产生和控制气流，模拟飞行器或物体周围气体的流动，使虚拟跳伞人员漂浮在空中，在此状态下对跳伞姿态控制进行模拟，具有逼真度高、模拟效果好等特点，垂直风洞技术方面实验室有丰富大量的空气动力学数据及长期合作的可靠数据来源，技术团队结合在先进航空领域完成远程控制实现动力学相似模型，以及在风洞试验段内六自由度飞行的丰富试验数据，推出全景跳伞仿真机的垂直风洞技术，是技术团队先进航空技术在民用化领域的一种推广应用。
自适应伺服伞绳系统通过悬固在风洞顶部的伺服机构控制绳索的形变，进而调整虚拟跳伞员的姿态。并根据当前风性特征，可真实的模拟空中伞降的人体姿态。另外，此系统也起到保障玩家安全的作用，在不降低刺激感的前提下规避风险。当玩家开始跳伞伞包未打开时，伺服机构控制绳索舒张，垂直风洞风力等于或略大于重力，伞绳系统仅起到保护作用。到降落伞开伞，伞衣充气，及稳定下降等不同的伞降过程中，伺服机构根据玩家对伞绳不同的控制信号，施加不同的拉力，达到与空中跳伞真实的伞绳反馈，使玩家获得和真实跳伞过程具有相同特性的动感和力感。
当垂直风洞产生的垂直向上气流达到一定的速度，人以一定的姿态进入气流，不需要任何工具就能漂浮起来，可满足跳伞机玩家的模拟需要。利用垂直风洞进行跳伞模拟最大的好处是能够获得高空跳伞的漂浮坠落的真实感受和跳伞姿态变换等高难度动作。垂直风洞使空降不再受天气等自然环境的制约和影响，具有很高的模拟效益。垂直风洞进行的模拟科目主要包括：①一级模拟，可做大姿势空中漂浮，模拟跳伞空中平稳坠落的能力；②二级模拟，可做伞兵空中左右移动动作要领，模拟伞兵的空中平稳定向能力；③三级模拟，可做空中旋转及翻滚动作，模拟伞兵长时间空中保持平衡的能力。
降落伞打开后至伞全部张开稳定下降，包括三个过程：即降落伞拉直过程、伞衣充气过程和稳定下降过程。稳定下降过程主要是坐标系的转换和加入风力的影响，相对简单，比较复杂的是伞衣充气过程的数学模型。圆形伞为轴对称半圆形状，由伞顶中点至伞绳下端连接点为轴线，首先将其伞衣按伞绳间隔切成“桔皮瓣”状径向条带，充气过程条带将变形为“瓦状弧”，并在伞绳拉紧下向下弯，分析计算每一条带上的张力，然后才能获知变形条带中由上冲气流产生的气动升力，最后合并条带的气动升力，即为伞下降的阻力。下降阻力求出后与跳伞者重力进行叠加，形成合力，便可求出伞的加速度及速度，整个下降过程便可解算出。
高逼真近现实沉浸式全景跳伞仿真机目标用户是飞行员及其他机组人员、伞降作战人员、院校相关专业人员、跳伞爱好者以及对跳伞感兴趣的人群。模拟过程包括从离开飞机到降落伞着陆全阶段的伞降操作程序、操纵过程、高空跳伞空中姿态控制训练，降落伞出现故障时的特性处理训练。在虚拟环境可以提供多种伞形装备(圆形伞、方形伞、八角形伞、滑翔翼等)；构建多种气象条件(白天、夜间、雾天等)；以及多种着着陆场景(开阔地形、海面)；支持风对降落伞的操作效果的影响，模拟高空降落的风感；多通道音响系统，输出逼真的虚拟三维声音，模拟声音的方位感、距离感、运动感、环境感。虚拟跳伞设置功能包括伞形、跳伞高度、着陆区域、风速风向、能见度、云量、跳伞员体重等。具有虚拟跳伞过程控制及记录回放功能，辅助教练员下达跳伞指令，虚拟跳伞过程记录，虚拟跳伞过程回放，辅助虚拟跳伞过程讲评。具有虚拟跳伞训练成绩评估功能，根据操作流程的正确性、特性处置的有效性和着陆地点的精确性进行综合评估。高逼真近现实沉浸式全景跳伞仿真机主要用于跳伞过程模拟、伞衣操作模拟、跳伞感觉，并具有一定的特情处理模拟能力，具有成本低、部署方便、组织简单、易于推广等特点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1是市面现有的跳伞机外观图；
图2是立式垂直风洞主体结构图；
图3是高逼真近现实沉浸式全景跳伞仿真机总体结构；
图4是高逼真近现实沉浸式全景跳伞仿真机系统组成；
图5是伞降模拟子系统各模块之间的信息交流图；
图6是主体结构设计立式风洞；
图7是垂直风洞主要性能；
图8是采用虚幻引擎搭建地景地貌；
图9是基于层次细节算法进行地景地貌的网格简化过程；
图10是搭配垂直风洞的风力体验搭建的草地场景；
图11是基于海浪谱方法生成多分辨率海面场景；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本实施例提供高逼真近现实沉浸式全景跳伞仿真机，将有效结合基于虚拟现实的沉浸式虚拟跳伞技术和基于垂直风洞的高逼真模拟跳伞技术，构建虚拟跳伞分系统和垂直风洞分系统，分别实现不同阶段，不同体验的针对模拟，虚实有机结合，模拟实际跳伞的失重感，提高跳伞的一体化模拟水平。高空跳伞室内模拟方案虚拟跳伞分系统和垂直风洞分系统组成，虚拟跳伞分系统根据伞降操作程序与操作原理进行设计，通过构建沉浸式跳伞环境，使玩家获得如同真实跳伞的感受和体验达到体验目的。该分系统由控制模拟子系统和伞降模拟子系统组成。其中控制模拟子系统具有模拟环境设置、模拟过程监控、模拟结果评估、模拟过程记录回放及辅助讲评等功能，辅助导调员或教练员完成跳伞模拟的组织实施工作。
(1)硬件组成
由一台高性能图形工作站、两台高清屏幕(一台为设置各种模拟参数，另一台实时显示玩家画面)。
(2)软件组成
①跳伞模拟环境设置子系统，主要用于设置参与模拟的各跳伞单元的基本参数，包括伞形、跳伞高度、着落区域、风速风向、气象条件、跳伞员体重等。②模拟过程监控子系统，发送模拟开始、模拟结束等控制命令；对整个跳伞过程进行三维监视，并能模拟各虚拟跳伞实体观察角度，查看器跳伞状态；采用列表形势展示玩家的资料信息和当前跳伞过程信息；输出三维音效，展现整个跳伞的各关键环节的声音要素，增强过程监控的真实感。③模拟结果评估子系统，采集数据，对玩家跳伞过程操作流程的正确性、操作伞衣的精确性及着陆的准确性进行全面评估，输出相应分数及排名④模拟过程记录子系统，对虚拟跳伞的全过程进行数据记录，以便进行分析、比较及讲评。⑤模拟过程回放与辅助讲评子系统，将记录下来的数据进行三维回放，展现各个模拟环节，并提供一些实用工具，辅助教练员进行讲评。
伞降模拟子系统主要用于模拟跳伞的虚拟环境及伞衣操作效果，伞降模拟子系统各模块之间的信息交流如图5所示。
(1)硬件组成
①自适应伺服伞绳，用于将玩家悬挂在离地面几十厘米的空中，模拟跳伞时的空中姿态。②小型图形工作站，用于头部位置姿态信息及伞衣操作信息的采集、三维场景的生成及视点控制、三维声音的输出等③虚拟头盔显示器，用于构建封闭式虚拟现实环境。④头部位置姿态跟踪器，用于实时采集玩家头部位置和姿态，并传递给计算机用于切换视点。⑤伞衣操纵控制采集器，用于实时采集伞衣操纵控制信息，并传递给计算机用于驱动伞降过程的模拟。⑥大功率风扇，布置在玩家下侧两边，用于模拟伞降时的空中风速。
(2)软件组成
①头部位置姿态采集模块，用于实时跟踪受训者头部位置及转动角，并传递给视点控制子系统。②伞衣操纵信息采集模块，实时采集玩家对伞衣的操纵信息，并传递给伞降模拟子系统。③视点控制模块，根据头部位置姿态采集子系统实时采集的信息，设置三维视景中虚拟跳伞者的观察位置、观察方向。④三维视景模块，根据控制模拟子系统的视景初始信息、虚拟跳伞者的位置和视点控制信息，实时生成逼真的虚拟跳伞场景，并在头盔显示器中呈现。⑤三维声音模块，输出关键事件的声音和跳伞下降过程中的环境声，增强场景的逼真度和沉浸感。⑥伞降模拟模块，根据玩家选择的伞形、体重、气象参数和伞衣操纵信息，实时模拟伞降下降过程和伞衣操纵效果，并反馈给玩家。
垂直风洞分系统采用小型垂直风洞，以便进行室内模拟仿真。其主体结构参照科研用立式风洞设计如图6所示，该垂直风洞主要性能如图7所示，垂直风洞分系统主要由以下系统构成：
(1)主体结构系统：主体骨架为RC(钢筋混凝土)钢结构，钢化夹胶多层玻璃被覆帷幕，钢筋混凝土建设基础地基。
(2)气流控制系统：产生高速气流，并将内腔输出的高速气流加以循环利用。
(3)能源供应系统：市电380V三相能源供应，发电机供电为临时性措施。
(4)动能输出及操控系统：多机组轴带动扇叶供风，汇流、收缩后提供风洞使用，产生的高速气流可使人在空中飘浮。
(5)视频监控及照明系统。
虚拟跳伞的核心关键在于构建一个能获得与真实跳伞过程体验相符的仿真环境，本实施例提供高逼真沉浸式虚拟现实模拟环境生成技术如下：视觉信息方面采用OpenScene Graph基于数字高程模型数据和卫星影像数据生成大面积高逼真的地面地形地貌场景，在目前主流的虚幻游戏引擎中搭建。并将高质量头盔显示器的跟踪器信息实时采集，动态反映玩家的观察位置和姿态，使场景信息根据玩家头部位置变化而实时刷新。虚幻引擎拥有全新的、Directll管线的渲染系统，其处理光照和阴影、材质和贴图、粒子和特效以及后期处理等方面有非凡的表现，采用该引擎搭建地景地貌如图8所示，达到极致的高逼真仿真环境。基于LOD(Level of Detail)层次细节算法进行地景地貌的网格简化如图9所示，兼顾渲染效率与渲染质量，以达到不同情况下选择不同细节层次的模型来渲染。搭配垂直风洞的风力体验搭建的场景中的草地可随风飘动如图10所示，基于海浪谱方法生成多分辨率海面场景如图11所示，高逼真影视级地景使玩家在伞降落地后也有丰富的视觉感受。
听觉信息方面采用OpenAL生成具有三维空间感、方位感的声音，在虚拟场景中能使跳伞者准确地判断出声源位置、与在真实世界中的心理听觉方式相符、使其获得与临场相似的方位感、距离感、运动感、环境感的听觉感受。速度感方面通过逼真模拟伞降过程，真实反映不同阶段、不同伞形在不同气象条件下的下降过程，使虚拟跳伞人员获得如同真实世界的速度感。动感和力感方面通过逼真模拟伞衣操纵过程及响应特性并实时反馈给玩家，使其获得和真实跳伞过程具有相同特性的动感和力感。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
