虚拟现实环境的力触觉建模和生成

虚拟现实环境的力触觉建模和生成

在虚拟现实技术中，视觉一直以来是一个重要的感觉通道，而近年来，触觉也逐渐进入人们的视线，其在虚拟现实中的引入可能显著提高人机交互的沉浸感和真实感。

力触觉人机交互系统由操作者、力触觉设备、力触觉生成算法三部分组成。力触觉人机交互是操作者通过交互设备向虚拟环境输入力或运动信号，虚拟环境以视、听、力或运动信号的形式反馈给操作者的过程。

1、建模方法

在力触觉交互技术中，力触觉生成建模需要研究物体的外在几何属性和内在的物理属性的集成建模方式，包括物体属性的数据获取和数字模型建立。

典型的数据获取方法：通过CT断层扫描、激光扫描或计算机视觉技术对物体的三维外形进行扫描，在计算机中添加参数从而重构三维对象。

【网格模型】是应用最早、最广泛的模型。

优点：表面网格细腻、显示效果好

缺点：可能反馈错误

【体素模型】是将整个空间完全分割成相同尺寸且相互不重叠的立方体

优点：简单，方便表示物体的几何属性，支持变拓扑结构的操作

【球树模型】用以球为基元组合逼近的球树模型来表示虚拟物体

优点：效率高

此外还有许多建模方法，应该根据实际情况选择不同的模型。

2、从力觉生成到力触觉融合生成

力触觉生成方法有4个发展阶段：力觉生成(force rendering)、触觉生成(tactile rendering)、力触觉融合(haptic rendering)和穿戴式力触觉融合(wearable haptic rendering)。

触觉反馈设备刺激用户的皮肤，再现物体的几何属性如表面粗糙度、纹理或平滑度等。这些触觉是皮肤对振动、小范围形状或压力分布、温度刺激等引起的。

Perez等在穿戴式触觉反馈设备上提出一种触觉生成算法。设备的面板和人手指直接接触，接触点位置和方向可不断调整，通过优化模型来调整平板的位姿，给用户真实的触摸感觉体验。Provancher等利用PHANToM力反馈设备模拟手指与虚拟表面间的正压力和摩擦力，在力反馈设备上安装了一个接触位置模拟装置来产生手指皮肤变形。

3、数据库

Culbertson等研制了手持式力觉测量装置，可以测量人手持工具划过一个平板表面的压力、摩擦力、滑行速度等信息，并提出了回归模型。基于该模型，建立了一个包含十大类（纸张、金属、塑料、木质）等物体的力觉交互过程的数据。如图所示，用户可以手持一个力反馈设备Phantom来触摸虚拟场景中的球。

我的想法：这个数据库包含本实验要研究的金属、木质材料的数据，可以采用该数据模拟在虚拟空间中小球的触感。