CN113992906B - 一种基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真方法 - Google Patents
一种基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真方法，包括设计CAVE沉浸式***网络拓扑方案；通过Unity3D构建大型三维虚拟仿真场景；通过CAVE沉浸式***的规格与布局建立摄像机参数计算模型；根据计算模型获取各屏幕对应摄像机的初始视场角、剪裁平面、转换矩阵和视锥参数，并在Unity3D应用程序开发和运行时单独配置；采用帧同步方式动态更新摄像机视点、视向及位置；采用事件同步方式实现场景中游戏对象状态实时同步，实现基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真；基于Unity3D开发的运输、建筑、制造、游戏及电影行业的CAVE沉浸式体验场景，多通道同步仿真效率高、体验场景沉浸感强，适用于产品演示验证及宣传推广领域，具体极大的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及CAVE沉浸式***仿真领域，尤其涉及一种基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真方法。
背景技术
CAVE沉浸式***包含单主机多屏和多主机多屏两种***架构，对于多主机多屏架构来说，要求在每台主机启动仿真软件，当中控***进行场景交互操作时，需实时同步摄像机参数和游戏对象状态，从而实现多通道同步仿真。然而即使是常见的Unity3D实时互动内容创作和运营平台，仍未提供实用的解决方案。
随着CAVE沉浸式***的广泛应用，对仿真软件的沉浸式体验要求也逐步提高。迫切需要开展基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真技术研究，提出Unity3D适配CAVE***的解决方案，提升虚拟仿真应用水平。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真方法，其特征在于，包括建立CAVE沉浸式***的网络拓扑结构，以及
建立摄像机参数计算模型；
所述网络拓扑结构包括***构成、网络拓扑和工作模式；
所述摄像机参数计算模型以CAVE沉浸式***网络拓扑模型为基础，建立摄像机视场角、剪裁平面、转换矩阵和视锥参数的计算模型；
以摄像机参数计算模型为基础，初始化CAVE沉浸式***每块屏幕对应的摄像机参数，通过帧同步方法实时同步摄像机参数，通过事件同步方法实时同步游戏对象状态；
所述CAVE沉浸式***包括立体投影多屏显示***、六自由度光学跟踪定位***、图形计算工作站、软件仿真平台***、多通道立体音响***和中控***；
在CAVE沉浸式***的网络拓扑结构中，所述中控***与图形计算工作站通过总线连接成局域网，所述图形计算工作站分别与立体投影多屏显示***的显示屏连接，将中控***的仿真软件摄像机参数和游戏对象状态数据通过网络实时同步到图形计算工作站，仿真软件摄像机参数和游戏对象状态数据通过显示***呈现；
通过中控***控制摄像机移动、旋转，通过网络通讯将摄像机参数实时分发到从站客户端，从站客户端通过接收的摄像机参数与初始配置的相对主摄像机参数计算，修改摄像机参数值，向中控***发送同步成功信号，当中控***收到来自所有从站的同步成功响应或部分从站响应超时，进行摄像机参数下一帧同步；
启动游戏场景时，将需要动态同步的所有游戏对象进行标识，当中控***交互操作使得游戏对象状态发生改变时，通过网络通讯将游戏对象标识、平移、旋转、比例和材质状态实时同步到从站客户端，从站客户端根据游戏对象标识从游戏场景中找到对应的游戏对象，更新其状态，并向中控***发送同步成功信号，当中控***收到来自所有从站的同步成功响应或部分从站响应超时，进行游戏对象状态下一事件同步；
对游戏对象进行标识包括，通过将所有游戏对象加入字典，按自然编码唯一标识游戏对象，建立游戏对象、唯一标识和场景与游戏对象完整路径映射关系。
进一步地，所述摄像机参数包括视场角、剪裁平面、转换矩阵和视锥，所述视场角包括垂直视场角和水平视场角，所述垂直视场角调整摄像机垂直方向视野范围，所述水平视场角调整摄像机水平方向视野范围，所述剪裁平面包括近剪裁平面和远剪裁平面，所述近剪裁平面表示摄像机最近可视距离，所述远剪裁平面表示摄像机最远可视距离，所述转换矩阵包括位移参数、旋转参数和缩放参数，所述位移参数表示摄像机所在视点，所述旋转参数表示摄像机旋转角度，所述缩放参数表示摄像机缩放比例，所述视锥包括垂直偏移量和水平偏移量，所述垂直偏移量调整摄像机垂直方向的偏移比例，所述水平偏移量调整摄像机水平方向的偏移比例。
进一步地，在摄像机参数计算模型中，左屏幕左中点的坐标为P1，左屏幕右中点的坐标为P2，右屏幕左中点的坐标为P3，右屏幕右中点的坐标为P4，左、前、右、下屏幕高度为H1、H2、H3和H4，左、前、右、下屏幕宽度为L1、L2、L3和L4，最佳观影距离为L0，设定直线P1-P2、直线P2-P3和直线P3-P4在水平方向作中垂线后共同交点S1，直线P2-P3在水平方向作中垂线后、屏幕内距前屏幕L0处的交点为S2，以直线S1-S2的中点为圆心，以直线S1-S2距离为直径，水平方向画圆，确定最佳观影区S1○S2。
进一步地，在摄像机参数计算模型中，左、右屏幕水平方向视场角为α1和α3，前屏幕和下屏幕水平方向视场角为α2和α4，左、右屏幕垂直方向视场角为β1和β3，前屏幕和下屏幕垂直方向视场角为β2和β4，
其中，α4＝180-β3/2。
进一步地，左、前、右屏幕摄像机采用对称视锥，左、前、右屏幕摄像机的水平方向视场角相等，左、前、右屏幕摄像机的垂直平方向视场角相等。
本发明为用Unity3D进行互动内容创作的企业或个人进行CAVE版仿真软件开发提供解决方案，缩短研发周期和成本；提升多通道同步仿真效率和游戏场景沉浸感，提升产品演示验证及宣传推广实用效果；
本发明将***性能开销分摊至多台主机，形成主机集群渲染模式，突破硬件性能壁垒，降低硬件设备成本；实现普通计算机和显示器构成CAVE***模拟测试环境，为CAVE仿真软件开发和测试提供方便。
附图说明
图1为本发明中CAVE沉浸式***网络拓扑设计方案；
图2为本发明中各屏幕对应摄像机初始参数计算模型；
图3为本发明中各屏幕对应摄像机视点、视角和位置计算方案；
图4为本发明中各屏幕对应摄像机实时参数多通道帧同步方案；
图5为本发明中游戏对象平移、旋转、比例和材质变换事件多通道同步方案。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例公开一种基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真方法，如图1～5所示，包括包括建立CAVE沉浸式***的网络拓扑结构、摄像机参数计算模型，网络拓扑结构包括***构成、网络拓扑和工作模式，摄像机参数计算模型以CAVE沉浸式***网络拓扑模型为基础，建立摄像机视场角、剪裁平面、转换矩阵和视锥参数的计算模型。
以摄像机参数计算模型为基础，初始化CAVE沉浸式***每块屏幕对应的摄像机参数，通过帧同步方法实时同步摄像机参数，通过事件同步方法实时同步游戏对象状态。
摄像机参数计算模型主要参数如表1所示：
表1摄像机参数
以摄像机参数计算模型为基础，初始化CAVE沉浸式***每块屏幕对应摄像机参数，通过帧同步方法实时同步摄像机参数，通过事件同步方法实时同步游戏对象状态。
CAVE沉浸式***网络拓扑方案中涉及的***构成、网络拓扑和工作模式，具体内容包括：立体投影多屏显示***、六自由度光学跟踪定位***、图形计算工作站(从站)、软件仿真平台***、多通道立体音响***和中控***(主站)，如表2所示：
表2CAVE沉浸式***构成
CAVE沉浸式***网络拓扑是中控***(主站)与图形计算工作站(从站)通过总线联成局域网，图形计算工作站分别与立体投影多屏显示***的显示屏连接，中控***上仿真软件摄像机参数和游戏对象状态数据通过网络实时同步到图形计算工作站，并最终通过显示***呈现。
CAVE沉浸式***工作模式包括180度高清拼墙模式、135度模拟训练模式、90度完全沉浸模式或者其他异形显示模式，如表3所示：
表3CAVE沉浸式***工作模式
摄像机参数计算模型涉及摄像机视场角、剪裁平面、转换矩阵和视锥参数计算以及最佳观察点、最佳观影距离、最佳观影区计算，具体计算模型如表4所示：
表4CAVE沉浸式***工作模式
根据摄像机计算模型，左前右屏幕摄像机采用对称视锥，下屏幕摄像机为斜视锥，水平视场角与1/2左右屏幕垂直视场角互补，垂直视场角与1/2前屏幕视场角互补并乘以高宽比，通过多通道对应摄像机参数计算，为从站上的客户端配置初始相对主摄像机视场角、剪裁平面、转换矩阵和视锥参数，帧实时同步摄像机参数方法涉及多通道摄像机参数实时同步方法，通过中控***控制摄像机移动或旋转，并通过网络通讯将摄像机参数实时分发到从站客户端，从站客户端通过接收的摄像机参数与初始配置的相对主摄像机参数计算并修改摄像机参数值，并向中控***发送同步成功信号，当中控***收到来自所有从站的同步成功响应或部分从站响应超时，进行摄像机参数下一帧同步。
基于前、下、左、右四屏CAVE沉浸式***、135度模拟训练模式为例：
CAVE沉浸式***构成包括立体投影多屏显示***、6自由度光学跟踪定位***、图形计算工作站(从站)、软件仿真平台***、多通道立体音响***和中控***(主站)，如表5所示：
表5实施例CAVE沉浸式***构成
CAVE沉浸式***网络拓扑是中控***(主站)与图形计算工作站(从站)通过总线联成局域网，图形计算工作站分别与立体投影多屏显示***的显示屏连接，中控***上仿真软件摄像机参数和游戏对象状态数据通过网络实时同步到图形计算工作站，并最终通过显示***呈现，CAVE沉浸式***采用135度模拟训练模式，网络拓扑如图1所示。
以P2-P3中点为坐标原点，计算模型以m为单位，如表6所示：
表6实施例CAVE沉浸式***工作模式
以摄像机参数计算模型为基础，初始化CAVE沉浸式***每块屏幕对应摄像机参数，通过帧同步方法实时同步摄像机参数，通过事件同步方法实时同步游戏对象状态，实现多通道同步仿真，前、下、左、右摄像机初始参数，如表7所示：
表7实施例摄像机参数
帧实时同步摄像机参数方法可为Unity3D中主摄像机绑定脚本，在Update方法分发摄像机参数到从站，由于每个客户端均可单独配置相对主摄像机的参数，帧同步时仅需同步中控***客户端中主摄像机的位移和旋转参数即可，由每个客户端自动根据接收到的参数和相对参数计算并更新客户端的主摄像机参数，由于同一个仿真软件中包含多个游戏场景，在中控***客户端切换游戏场景时也需要同步场景状态数据，如果每个场景中的摄像机参数不一样，除了默认的相对参数以外，可以按需为场景增加相对参数配置信息。
下屏摄像机相对主摄像机参数配置示例所示：
[DEFAULT_CAMERA_CONFIG]
CAMERA_SCENE_NAME＝Default
CAMERA_RELATE_POSITION_X＝-3.8627
CAMERA_RELATE_POSITION_Y＝0
CAMERA_RELATE_POSITION_Z＝0
CAMERA_RELATE_ROTATION_X＝-90
CAMERA_RELATE_ROTATION_Y＝0
CAMERA_RELATE_ROTATION_Z＝0
CAMERA_RELATE_ROTATION_W＝0
CAMERA_CLIPPINGPLANE_NEAR＝1
CAMERA_CLIPPINGPLANE_FAR＝10000
CAMERA_FIELDOFVIEW＝165.48573；
事件实时同步游戏对象状态方法包括游戏对象唯一标识和游戏对象状态同步。
游戏对象唯一标识示例如下：
唯一标识：100000000，
完整路径：MainScene:GameTargets/Cubes/Cube_left，
游戏对象：游戏场景中左边长方体。
启动游戏场景时，将需要动态同步的所有游戏对象进行唯一标识，当中控***交互操作使得游戏对象状态发生改变时，通过网络通讯将游戏对象唯一标识(例如：100000000)、平移(x,y,z)、旋转(x,y,z,w)、比例(x,y,z)和材质状态实时分发到四台从站客户端，从站客户端根据游戏对象唯一标识从游戏场景中找到对应的游戏对象，更新其状态，并向中控***发送同步成功信号，当中控***收到来自所有从站的同步成功响应或部分从站响应超时，方可进行游戏对象状态下一事件同步。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真方法，其特征在于，包括建立CAVE沉浸式***的网络拓扑结构，以及
建立摄像机参数计算模型；
所述网络拓扑结构包括***构成、网络拓扑和工作模式；
所述摄像机参数计算模型以CAVE沉浸式***网络拓扑模型为基础，建立摄像机视场角、剪裁平面、转换矩阵和视锥参数的计算模型；
以摄像机参数计算模型为基础，初始化CAVE沉浸式***每块屏幕对应的摄像机参数，通过帧同步方法实时同步摄像机参数，通过事件同步方法实时同步游戏对象状态；
所述CAVE沉浸式***包括立体投影多屏显示***、六自由度光学跟踪定位***、图形计算工作站、软件仿真平台***、多通道立体音响***和中控***；
在CAVE沉浸式***的网络拓扑结构中，所述中控***与图形计算工作站通过总线连接成局域网，所述图形计算工作站分别与立体投影多屏显示***的显示屏连接，将中控***的仿真软件摄像机参数和游戏对象状态数据通过网络实时同步到图形计算工作站，仿真软件摄像机参数和游戏对象状态数据通过显示***呈现；通过中控***控制摄像机移动、旋转，通过网络通讯将摄像机参数实时分发到从站客户端，从站客户端通过接收的摄像机参数与初始配置的相对主摄像机参数计算，修改摄像机参数值，向中控***发送同步成功信号，当中控***收到来自所有从站的同步成功响应或部分从站响应超时，进行摄像机参数下一帧同步；
启动游戏场景时，将需要动态同步的所有游戏对象进行标识，当中控***交互操作使得游戏对象状态发生改变时，通过网络通讯将游戏对象标识、平移、旋转、比例和材质状态实时同步到从站客户端，从站客户端根据游戏对象标识从游戏场景中找到对应的游戏对象，更新其状态，并向中控***发送同步成功信号，当中控***收到来自所有从站的同步成功响应或部分从站响应超时，进行游戏对象状态下一事件同步；
对游戏对象进行标识包括，通过将所有游戏对象加入字典，按自然编码唯一标识游戏对象，建立游戏对象、唯一标识和场景与游戏对象完整路径映射关系。
2.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真方法，其特征在于，所述摄像机参数包括视场角、剪裁平面、转换矩阵和视锥，所述视场角包括垂直视场角和水平视场角，所述垂直视场角调整摄像机垂直方向视野范围，所述水平视场角调整摄像机水平方向视野范围，所述剪裁平面包括近剪裁平面和远剪裁平面，所述近剪裁平面表示摄像机最近可视距离，所述远剪裁平面表示摄像机最远可视距离，所述转换矩阵包括位移参数、旋转参数和缩放参数，所述位移参数表示摄像机所在视点，所述旋转参数表示摄像机旋转角度，所述缩放参数表示摄像机缩放比例，所述视锥包括垂直偏移量和水平偏移量，所述垂直偏移量调整摄像机垂直方向的偏移比例，所述水平偏移量调整摄像机水平方向的偏移比例。
3.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真方法，其特征在于，在摄像机参数计算模型中，左屏幕左中点的坐标为P1，左屏幕右中点的坐标为P2，右屏幕左中点的坐标为P3，右屏幕右中点的坐标为P4，左、前、右、下屏幕高度为H1、H2、H3和H4，左、前、右、下屏幕宽度为L1、L2、L3和L4，最佳观影距离为L0，设定直线P1-P2、直线P2-P3和直线P3-P4在水平方向作中垂线后共同交点S1，直线P2-P3在水平方向作中垂线后、屏幕内距前屏幕L0处的交点为S2，以直线S1-S2的中点为圆心，以直线S1-S2距离为直径，水平方向画圆，确定最佳观影区S1○S2。
4.根据权利要求3所述的一种基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真方法，其特征在于，在摄像机参数计算模型中，左、右屏幕水平方向视场角为α1和α3，前屏幕和下屏幕水平方向视场角为α2和α4，左、右屏幕垂直方向视场角为β1和β3，前屏幕和下屏幕垂直方向视场角为β2和β4，
其中，α4＝180-β3/2。
5.根据权利要求4所述的一种基于Unity3D的CAVE***多通道同步仿真方法，其特征在于，左、前、右屏幕摄像机采用对称视锥，左、前、右屏幕摄像机的水平方向视场角相等，左、前、右屏幕摄像机的垂直平方向视场角相等。
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