交互虚拟水流墙系统及方法与流程

本发明涉及展览、会议行业展示领域，特别涉及一种交互虚拟水流墙系统及方法。

背景技术：

随着展馆行业的发展，展馆中越来越多的使用多媒体技术，各类多媒体技术给展馆增色很多，给观众留下深刻印象，但单纯的图片影片等展示形式已经显得单调，缺乏趣味，形式单一、位置固定，缺少新意了。现在更多的是把各种声光电技术、计算机视觉技术、人工智能等技术结合应用于展馆中。

利用计算机视觉技术实现展项中媒体的实时互动，是当下很流行的展示方式，如何利用新技术新形势让观众耳目一新，这是展示行业中多媒体从业人员一直在努力的事情。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种交互虚拟水流墙系统，具有实现水流瀑布特效，与体验者产生碰撞效果的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种交互虚拟水流墙系统，包括巨屏显示组件、水墙虚拟子系统、体感交互子系统，

所述体感交互子系统用于检测人物的动作并建立人物的虚拟动作模型然后发送至水墙虚拟子系统；

所述水墙虚拟子系统用于虚拟瀑布仿真模型，并接收体感交互子系统的动作模型与瀑布仿真模型形成仿真交互碰撞模型，然后发送至巨屏显示子系统；

所述巨屏显示子系统用于接收水墙虚拟子系统的瀑布仿真模型和交互碰撞模型，并进行投射。

通过采用上述技术方案，水流墙虚拟子系统虚拟瀑布仿真模型，并发送至巨屏显示子系统进行显示；当有体验者进行交互时，体感交互子系统检测体验者的人物动作，并建立人物的虚拟动作，然后发送至水墙虚拟子系统，水枪虚拟子系统与瀑布仿真模型形成仿真交互模型，然后发送至巨屏显示子系统进行投射。

进一步的，所述体感交互子系统包括动作采集模块、动作分析模块、动作模拟模块，

动作采集模块，实时采集体验者的动作数据并发送给动作分析模块；

动作分析模块，接收动作采集模块的动作数据并进行分析得到动作分析数据，发送给动作模拟模块；

动作模拟模块，接收动作分析模块的动作分析数据，然后通过动作分析数据进行动作建模，并将动作模型发送至水墙虚拟子系统。

通过采用上述技术方案，动作采集模块采集体验者的动作数据，然后发送给动作分析模块进行动作分析并得到动作分析数据，动作模拟模块根据动作分析数据进行动作建模得到动作模型。

进一步的，所述水墙虚拟子系统包括瀑布建模单元、碰撞模型建模单元、渲染中心、控制中心，

瀑布建模单元，建立虚拟瀑布仿真模型，并发送给碰撞模型建模单元；

碰撞模型建模单元，接收动作模拟模块的动作模型和瀑布建模单元的瀑布仿真模型，并将两者结合模拟形成虚拟碰撞模型；

渲染中心，接收瀑布建模单元的虚拟瀑布仿真模型和碰撞模型建模单元的虚拟碰撞模型，并对两者进行渲染。

通过采用上述技术方案，瀑布建模单元建立瀑布仿真模型，碰撞模型建模单元将动作模型和瀑布仿真模型结合模拟形成虚拟碰撞模型，渲染中心对瀑布仿真模型和虚拟碰撞模型进行实时光照渲染、场景渲染、模型渲染和粒子模型。

进一步的，所述瀑布建模单元在粒子流体粘稠度处理过程中采用半拉格朗日流场解法与欧拉法；

结合粒子的双密度松弛算法模拟水花效果；

利用基于物理的拉格朗日算法，简化求解普通的只含有时间导数的微分方程模拟流体。

通过采用上述技术方案，在粒子流体粘稠度处理过程中采用半拉格朗日流场解法与欧拉法，使得求解快速简单稳定，大大提高粒子流体的效率，减少系统消耗。结合粒子的双密度松弛算法模拟水花效果，并结合粒子流体粘稠度属性很好地解决了粒子的分散特性。为了更好的模拟流体，流体力学利用基于物理的拉格朗日算法，简化求解普通的只含有时间导数的微分方程,而无须求解同时含有时间和空间导数的偏微分方程,更便于程序实现，提高粒子计算效率。

进一步的，所述巨屏显示子系统包括若干块拼接屏、拼接处理器、屏幕安装架、音频播放单元，所述拼接器与水墙虚拟子系统连接，并将瀑布仿真模型和交互碰撞模型的图像信号分配到各块拼接屏上进行显示。

通过采用上述技术方案，水墙虚拟子系统将瀑布仿真模型和交互碰撞模型的图像信号传输到拼接处理器，拼接处理器将将图像信号分配到各块拼接屏上进行显示，并通过音频播放单元进行音效播放。

进一步的，所述屏幕安装架包括主撑架，所述主撑架上设有用于安装单个拼接屏的屏幕支架，所述屏幕支架包括矩形外框架，所述外框架内设有两根竖直设置的撑板和用于安装拼接屏的屏幕连接架，所述屏幕连接架与撑板之间连接有剪形支架；

所述剪形支架包括交叉设置的主动支杆和从动支杆，主动支杆与从动支杆在两者的中点处转动连接，主动支杆一端与撑板铰接，另一端与屏幕连接架滑动连接；从动支杆一端与屏幕连接架转动连接，另一端与撑板滑动连接；两块撑板之间设有用于驱动剪形支架开合的开合机构。

通过采用上述技术方案，开合机构驱动剪形支架开合，当单个拼接屏需要维护时，开合机构驱动剪形支架张开，使得拼接屏伸出屏幕安装架方便维护。

进一步的，所述开合机构包括固定杆和滑移杆，所述固定杆两端分别与相应的从动支杆转动连接，滑移杆两端分别穿过撑板并与滑移杆转动连接，固定杆与滑移杆之间连接用于驱动两者相互靠近或者远离的驱动组件。

通过采用上述技术方案，当需要将剪形支架张开时，驱动组件驱动滑移杆朝向固定杆运动，从而驱动屏幕连接架沿背向主撑架的方向运动，将拼接屏伸出方便检修和维护。

进一步的，所述驱动组件为气缸，所述屏幕安装架还包括用于控制各个驱动结构的控制面板。

通过采用上述技术方案，当需要检修故障的拼接屏时，通过控制面板控制对应的气缸，气缸驱动剪形支架张开将对应的拼接屏伸出。

本发明的另一目的是提供一种交互虚拟水流墙的设计方法，具有系统实现的水流瀑布特效，与体验者产生碰撞效果的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种交互虚拟水流墙的设计方法，基于上述的水墙虚拟子系统，其特征在于：

1）、建立流体控制方程：++=（动量方程）

（连续方程）

其中，表示流体速度，为流体密度，是重力加速度，是运动粘度系数，p为压强，表示每单元区域的流体对外界所施加的力，符号及分别表示梯度和散度算子，为拉普拉斯算子；

采用有限差分法进行时间离散化和空间离散化，并进行求解；

2）、基于粒子的实时液态仿真：

首先计算粒子在空间的动态速度；

并用前向欧拉方法更新每个粒子的下一刻位置；

3）、结合粒子的双密度松弛算法模拟水花效果，两个粒子间的密度松弛位移和虚拟的压力采用如下公式模拟：

其中为从粒子i指向j的单位矢量；

4）、利用基于物理的拉格朗日算法，简化求解微分方程模拟流体。

通过采用上述技术方案，采用半拉格朗日流场解法和欧拉法对粒子流体粘稠度进行处理，简化了求解过程，使得系统的运行效率得以提高。结合粒子的双密度松弛算法很好的模拟水花效果，同时采用物理的拉格朗日算法提高粒子计算效率。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.本系统实现的水流瀑布特效，仿真水流形成一面瀑布墙，自上而下，高仿真瀑布水流体；

2体感交互子系统实时检测人体，实时创建人体抽象模型，模拟人物动作，模拟出仿真瀑布流体与人物模型产生碰撞效果；

3.可应用于博物馆、科技馆、主题馆、规划馆中，作为提高展馆趣味性，吸引青少年眼球的重要展项。

附图说明

图1是实施例1中交互虚拟水流墙系统的系统框图；

图2是实施例1中体感交互子系统的系统框图；

图3是实施例1中水墙虚拟子系统的系统框图；

图4是实施例1中控制中心的功能图；

图5是实施例1中巨屏显示子系统的系统框图；

图6是实施例1中屏幕安装架的结构示意图；

图7是实施例1中用于体现屏幕支架的结构示意图；

图8是实施例1中用于体现屏幕安装架的结构示意图。

图中，100、体感交互子系统；110、动作采集模块；120、动作分析模块；130、动作模拟模块；200、水墙虚拟子系统；210、瀑布建模单元；220、碰撞模型建模单元；230、渲染中心；240、控制中心；300、巨屏显示子系统；310、拼接屏；320、拼接处理器；330、屏幕安装架；340、音频播放单元；410、主撑架；420、屏幕支架；430、外框架；431、撑板；440、屏幕连接架；450、剪形支架；451、主动支杆；452、从动支杆；460、开合机构；461、固定杆；462、滑移杆；463、驱动组件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1：一种交互虚拟水流墙系统，如图1所示，包括巨屏显示子系统300、水墙虚拟子系统200和体感交互子系统100，体感交互子系统100检测体验者的动作并建立虚拟动作模型。水墙虚拟子系统200虚拟瀑布仿真模型，并结合虚拟动作模型建立仿真碰撞模型，然后通过巨屏显示子系统300显示。

如图1和2所示，体感交互子系统100包括动作采集模块110、动作分析模块120和动作模拟模块130，动作采集模块110包括体感交互设备，体感交互设备设置在巨屏显示子系统300显示的底部，并距离地面20cm处，体感交互设备上的红外摄像头检测体验者的动作模型，再由动作采集模块110转换成动作数据传输给动作分析模块120。动作分析模块120对动作数据进行分析，剔除无效数据，对动作数据简化得到分析数据然后传输给动作模拟模块130。动作模拟模块130根据分析数据建立动作模型，得到体验者的实时动作模型，并传输给水墙虚拟子系统200。

如图3和4所示，水墙虚拟子系统200包括瀑布建模单元210、碰撞模型建模单元220、渲染中心230、控制中心240。瀑布建模单元210首先建立粒子流体模型，在粒子流体粘稠度处理过程中采用半拉格朗日流场解法和欧拉法，欧拉法对流场进行描述，在处理navie-sotkes方程的对流项时吸收拉格朗日思想，求解过程快速简单稳定，对处理器的耗损较少。为了模拟水花效果，结合粒子的双密度松弛算法，有效地降低了粒子建模的计算复杂度，解决了流体表面的平滑问题，使流体的运动模拟更真实。结合粒子流体粘稠度属性，很好地解决了粒子的分散特性。同时，利用基于物理的拉格朗日算法，简化求解普通的只含有时间导数的微分方程模拟流体。

控制中心240建立光照模型并传输给渲染中心230，控制中心240根据粒子流体模型通过动画ai软件建立成动画，同时控制相机截取相机输出的动画画面，并根据瀑布落下落时的状态对动画进行场景调度。控制中心240同时监测体感交互子系统100（见图1）是否有人物动作，如果有，则传输给碰撞模型建模单元220；如果没有，则输出瀑布仿真模型。

碰撞模型建模单元220接收动作模拟模块130（见图2）的动作模型和瀑布建模单元210的瀑布仿真模型，并将两者结合模拟形成虚拟碰撞模型。

渲染中心230接收瀑布建模单元210的虚拟瀑布仿真模型和碰撞模型建模单元220的虚拟碰撞模型，对两者进行实时光照渲染、场景渲染、模型渲染和粒子渲染，模拟出逼真的现场景观效果。

如图5所示，巨屏显示子系统300包括若干块拼接屏310、拼接处理器320、屏幕安装架330、音频播放单元340，拼接处理器320与水墙虚拟子系统200连接，并将瀑布仿真模型和交互碰撞模型的图像信号分配到各块拼接屏310上进行显示。音频播放单元340包括功放和音箱，对显示的画面辅以音效，模拟出更好的现场感。

如图6和7所示，屏幕安装架330包括主撑架410，主撑架410上设有用于安装单个拼接屏310的屏幕支架420。

如图8所示，屏幕支架420包括矩形外框架430，本实施例中拼接屏310共有9块，采用3*3的排布形式，相应地设有9个外框架430，同样采用3*3的排布形式。外框架430内设有两根竖直设置的撑板431和用于安装拼接屏310的屏幕连接架440，所述屏幕连接架440与撑板431之间连接有剪形支架450。

如图7和8所示，剪形支架450包括交叉设置的主动支杆451和从动支杆452，主动支杆451与从动支杆452在两者的中点处转动连接，主动支杆451一端与撑板431铰接，另一端与屏幕连接架440滑动连接；从动支杆452一端与屏幕连接架440转动连接，另一端与撑板431滑动连接；两块撑板431之间设有用于驱动剪形支架450开合的开合机构460。开合机构460驱动剪形支架450开合，当单个拼接屏310需要维护时，开合机构460驱动剪形支架450张开，使得拼接屏310伸出屏幕安装架330方便维护。

如图6和8所示，开合机构460包括固定杆461和滑移杆462，固定杆461两端分别与相应的从动支杆452转动连接，滑移杆462两端分别穿过撑板431并与滑移杆462转动连接，固定杆461与滑移杆462之间连接用于驱动两者相互靠近或者远离的驱动组件463。驱动组件463为气缸，屏幕安装架330还包括用于控制各个驱动组件463的控制面板。当需要检修故障的拼接屏310时，通过控制面板控制对应的气缸，气缸驱动剪形支架450张开将对应的拼接屏310伸出。

具体实施过程：体感交互子系统100将体验者的动作进行捕捉，并建立人物虚拟动作模型，水墙虚拟子系统200用于虚拟瀑布仿真模型，并将虚拟动作模型结合形成碰撞模型，最终通过巨屏显示子系统300投射。

实施例2：一种交互虚拟水流墙的设计方法，基于上述的水墙虚拟子系统，具体步骤如下：

1）、建立流体控制方程：++=（动量方程）

（连续方程）

其中，表示流体速度，为流体密度，是重力加速度，是运动粘度系数，p为压强，表示每单元区域的流体对外界所施加的力，符号及分别表示梯度和散度算子，为拉普拉斯算子；

采用有限差分法进行时间离散化和空间离散化，并求解压强p；

2）、基于粒子的实时液态仿真：

首先计算粒子在空间的动态速度；

并用前向欧拉方法更新每个粒子的下一刻位置；

3）、结合粒子的双密度松弛算法模拟水花效果，两个粒子间的密度松弛位移和虚拟的压力采用如下公式模拟：

其中为从粒子i指向j的单位矢量；

4）、利用基于物理的拉格朗日算法，简化求解微分方程模拟流体。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。