面向裝配的球面虛擬環(huán)境系統(tǒng)的建立及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、虛擬裝配是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一，為解決復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題提供了經(jīng)濟(jì)有效的解決途徑。虛擬裝配的沉浸性能直接影響其實(shí)際應(yīng)用效果。然而，傳統(tǒng)虛擬裝配系統(tǒng)的沉浸感不足，難以反映實(shí)際裝配過(guò)程中的問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)發(fā)出具有高度沉浸式虛擬裝配環(huán)境，但是由于系統(tǒng)的構(gòu)建耗資巨大，且多種關(guān)鍵技術(shù)尚不完善，無(wú)法滿足裝配設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。因此，迫切需要引入新的方法和手段，建立具有高度沉浸感的、低成本的虛擬裝配環(huán)境系統(tǒng)，以獲得

2、具有實(shí)際指導(dǎo)意義的裝配方案。
　　本文建立了一個(gè)新型的具有高度沉浸感的虛擬裝配系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)相關(guān)功能模塊的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。該系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)投影機(jī)和所研制的大型球面屏幕組成的投影系統(tǒng)為操作者提供360°全景展示畫面，具有高度的沉浸感和廣闊的操作空間，能夠滿足產(chǎn)品虛擬裝配設(shè)計(jì)的要求。
　　研制出一種低成本的立體圖像分配器，通過(guò)基于低端硬件的立體投影顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了球面屏幕的立體投影顯示。在該系統(tǒng)中，首先建立

3、立體像對(duì)生成的數(shù)學(xué)模型，并采用Off-axis算法實(shí)現(xiàn)立體場(chǎng)景源圖像的獲取，經(jīng)過(guò)立體圖像分配器的處理后生成滿足投影顯示的立體視對(duì)圖像，以增強(qiáng)虛擬裝配系統(tǒng)的沉浸感。
　　針對(duì)平面圖像投影到球面屏幕上發(fā)生變形的情況，提出了一種非線性幾何拼接校正方法。該方法建立球面投影的數(shù)學(xué)模型，求解投影機(jī)在球幕上的最大顯示區(qū)域，并利用相機(jī)獲取最大區(qū)域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖案，確定投影機(jī)與顯示屏幕之間的幾何關(guān)系，由雙向曲線法逆運(yùn)算求解雙三次 NURBS曲面的控

4、制點(diǎn)陣，初步獲得滿足多投影顯示的幾何校正圖像，再通過(guò) NURBS曲面的局部可修改特性進(jìn)行圖像重疊部分的拼接校正，實(shí)現(xiàn)了高精度、無(wú)縫的球面多投影顯示。
　　在分析球面屏幕多投影顯示圖像之間顏色差異原因的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于球面多投影顯示的全局顏色校正方法。該方法采用基于相機(jī)的HDR圖像處理技術(shù)重建所有投影機(jī)顯示圖像的亮度響應(yīng)值，并針對(duì)球面背投顯示模式的特點(diǎn)，從人對(duì)顏色視覺(jué)感知的角度出發(fā)，進(jìn)行三個(gè)方面的全局顏色校正處理，包括全局的

5、亮度均勻化、邊緣亮度融合和色彩度的公共 ITF匹配，實(shí)現(xiàn)了在視覺(jué)感知上統(tǒng)一的球面多投影顯示效果。
　　研究了球面投影圖像的場(chǎng)景顯示技術(shù)，在并行繪制環(huán)境下建立球面圖像分割模型，根據(jù)球面多投影空間的實(shí)際布局情況，設(shè)計(jì)出滿足球面多投影拼接顯示的分割方案，通過(guò)球面投影圖像的區(qū)域劃分設(shè)計(jì)，使得經(jīng)過(guò)幾何拼接校正后的顯示圖像具有良好的連續(xù)性。基于sort-first并行繪制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的并行渲染，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)視覺(jué)顯示各功能模塊的集成處理，考慮到三