一種可用于移動終端的虛擬物體三維形狀觸覺再現方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及力觸覺再現算法領域，具體涉及一種可用于移動終端的虛擬物體三維 形狀觸覺再現方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，在人機交互領域，力觸覺再現技術引起人們廣泛的關注。高效自然的力觸 覺再現技術能夠加強虛擬現實的沉浸感和真實感，提供更為真實和直接的交互體驗，將人 類與虛擬世界的交流推向一個新的階段。隨著觸摸屏技術的快速發展，面向搭載觸摸屏的 力觸覺交互設備和力觸覺再現算法大量涌現，使得感知移動終端上的虛擬物體的紋理材質 和三維形狀成為可能。同時面向移動終端的力觸覺再現技術，有積小、功耗低、成本相對低 的優點，克服了傳統力觸覺再現技術的一些局限。
[0003] 目前，觸覺再現技術主要有：基于振動的觸覺再現、基于力反饋設備的觸覺再現、 基于陣列的觸覺再現等。基于振動的信息表達是目前普遍使用的觸覺再現模式。各種振 動觸覺的致動器為手持設備引入觸覺振動提供了一種解決方案，促進觸覺再現的便攜性發 展。一些研究者使用這些致動器用于生成各種振動模式、觸覺圖標來實現非視覺性信息的 交流。力反饋設備主要用于實現人機交互中的作用力反饋，操作者使用力反饋設備與虛擬 物體交互作用時，力反饋設備可以阻止操作者的運動以避免穿刺交互。基于力反饋的觸覺 再現方法所實現的是一種間接的觸覺再現模式，降低了觸覺感知的真實感。采用陣列式的 結構來實現觸覺再現是最直接的方法，因而一直受到人們的關注。Wagner和Lederman等利 用RC伺服電機驅動的探針陣列構建了一個觸覺再現裝置。陣列式觸覺再現系統的優勢在 于比較直觀、能主動對操作者施加觸覺刺激，但是這種方法缺少觸覺感知的直觀性和主動 性。
[0004] 近年來力觸覺再現算法引起了研究者的廣泛興趣，大量的力觸覺再現算法涌現， 使得感知移動終端上虛擬物體的三維形狀成為可能。Gordon and Morison等研究表明當 人手指在物體表面滑動時，可以通過局部斜率感知物體表面形狀信息。基于這個原理，Ali Israr等人將物體在接觸點的局部斜率映射到手指與觸摸屏的摩擦力，從而實現對虛擬物 體三維形狀觸覺再現。這種展現虛擬物體三維形狀的再現方法，能很好的將三維形狀信息 反饋給操作者，但忽略了人在感受物體形狀信息時的主動性。Hayward等人研究表明當人手 指在物體表面滑動時，也可以通過側向力來感知物體的形狀信息。基于這個原理，吉林大學 提出了基于側向力的靜電力觸覺再現算法，將按壓物體的側向力映射到手指與觸摸屏之間 的靜電力。這種展現虛擬物體三維形狀的再現算法容易實現、成本低、便于操作，但只能提 供切向的力反饋，無法提供操作者真實的觸感。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是：提供一種可用于移動終端的虛擬物體三維形狀觸 覺再現方法，該方法通過產生與虛擬物體三維形狀信息、手指與虛擬物體接觸姿態信息相 一致的分布式觸覺刺激反饋給操作者，從而模擬人手以不同姿態接觸不同形狀虛擬物體時 所產生的觸感，提供使用者良好的觸覺交互體驗。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：
[0007] 利用移動終端和指套上的姿態傳感器分別檢測電容筆頭在觸摸屏上按壓位置信 息、手指姿態信息，根據上述信息計算手指在虛擬物體表面接觸點的局部斜率以及手指和 虛擬物體的接觸姿態。將局部斜率映射到壓電致動器的平均振動強度，從而表達虛擬物體 形狀信息。將接觸姿態映射到壓電致動器的振動強度分布，從而產生手指以不同姿態接觸 虛擬物體時所產生的觸感。通過壓電致動器陣列振動強度大小與分布的變化，模擬手指以 不同姿態接觸不同形狀三維物體時所產生的觸感，從而實現對虛擬物體三維形狀的觸覺表 達。
[0008] 由以下具體步驟實現該力觸覺再現方法：
[0009] 步驟1，根據虛擬物體的表面幾何信息、電容筆頭在觸摸屏上按壓位置計算虛擬物 體表面在接觸點的局部斜率，并將局部斜率映射到壓電致動器陣列平均振動強度的大小。 通過壓電致動器陣列平均振動強度大小的變化來表達虛擬接觸點局部斜率信息，進而表達 虛擬物體的形狀信息。具體方法是：
[0010] (1)根據虛擬物體的表面幾何信息、電容筆頭在觸摸屏上運動的位置計算虛擬物 體表面在接觸點的局部斜率。定義平行于觸摸屏長邊的方向為X軸方向，平行于觸摸屏短 邊的方向為Y軸方向，垂直于觸摸屏平面的方向為Z軸方向。操作者穿戴了指套式力觸 覺再現裝置和移動終端上的虛擬物體接觸時，移動終端檢測電容筆頭在觸摸屏上的按壓位 置P 1 (X1, Y1)，并通過虛擬環境里的碰撞檢測算法計算出手指在虛擬物體表面的虛擬接觸點 Pi(X iJilZi)即虛擬接觸點。定義在虛擬接觸點的局部斜率為▽靖，計算公式為：，
[0011]
[0012] 其中F(x，y，z)為已知的虛擬物體表面幾何形狀，（Xhy1J1)為虛擬接觸點 P (Xi, y;，Zi)的坐標值。
[0013] (2)根據虛擬接觸點的局部斜率，確定壓電致動器陣列的平均振動強度，從而產生 與虛擬物體三維形狀一致的觸覺刺激。假設壓電致動器陣列為奇數陣，定義垂直手指指向 的方向為i軸方向，平行手指指向方向為j軸方向，每個坐標（i，j)對應一個振動單元，i、 j為1到2n-l的正整數。定義壓電致動器陣列平均振動強度?為所有振動單元振動強度的 平均值，其計算公式為：
，式中L表示坐標為（i, j)振動單元的振動 強度。該算法中，壓電致動器陣列的平均振動強度與虛擬物體表面的局部斜率線性相關，他 們的具體關系為：，式中k是與壓電致動器結構相關的參數。
[0014] 步驟2根據手指姿態信息、虛擬接觸點P1計算手指與虛擬物體的接觸姿態，并將 接觸姿態映射到壓電致動器振動強度的分布。通過壓電致動器陣列振動強度分布的變化來 表達手指以不同姿態接觸虛擬物體時的觸感。具體方法是：
[0015] (1)，根據手指姿態信息、虛擬接觸點P1計算手指與虛擬物體的接觸姿態。根據指 套式力觸覺裝置上的姿態傳感器實時測得的手指沿X、Y軸正方向轉過的角度ΘΧ、0y，計 算指端切平面的法向量與Χ、γ軸正方向的夾角αχ、ay，其計算公式為：αχ=90-θ y，Qy =90-θ χ。為了表達虛擬手指和虛擬物體的接觸姿態信息，定義指端切平面與X、Y軸的 夾角和虛擬觸點切平面與X、Y軸夾角的差值為接觸姿態角? x、?y。?x、計算公式為： O1 =Qfi , A 式中死(~，乃，Ζ?)、仍,(~，兄.，2;)表示虛擬物體在 虛擬接觸點P1切平面的法向量與X、Y軸的夾角，他們可由虛擬物體表面幾何形狀F (X，y，ζ) 與虛擬接觸點Pi確定。
[0016] ⑵根據手指與虛擬物體的接觸姿態，確定壓電致動器陣列的振動強度分布，從而 產生手指以不同姿態接觸虛擬物體時所產生的觸覺刺激。定義對應虛擬接觸點的振動單元 為正向接觸振動單元，可由接觸姿態角? x、?y確定。當接觸姿態角θχ大于零、?y大于零 時正向接觸振動單元坐標為i = η+l,…，2n-l、j = η+l,…，2n-l，當接觸姿態角Θχ小于 零、?y大于零時正向接觸振動單元坐標為i = 1，…，n、j = η+l,…，2η-1，當接觸姿態角Θ χ 大于零、?y小于零時正向接觸振動單元坐標為i = η+l,…，2n-l、j = 1，…，η，當接觸姿態 角Θχ小于零、Θ y小于零時正向接觸振動單元坐標為i = 1，…，n、j = 1，···，]!，當接觸姿 態角θχ等于零、Θ y等于零時正向接觸振動單元坐標為i = 1，…，2n-l、j = 1，…，2n-l。 壓電致動器陣列振動強度分布原則：由于虛擬接觸點存在壓力，所以正向接觸振動單元的 振動強度最強，周圍領域內的非正向接觸振動單元的振動強度隨離正向接觸振動單元的距 離增加而減弱。根據上述原則，定義壓電致動器陣列振動強度分布系數 ω]，計算公式 為： r 1 #
[0017]
[0018]
[0019] 式中，（i-n/n-1)、（j-η/η-Ι)表示轉換后的壓電致動器陣列坐標，即把坐標范圍 [l，2n-l]轉換為[-1，1]使得正向接觸振動單元的分布系數總比非正向接觸振動單元的分 布系數大。1^表不Θ x、?y對振動強度分布系數的作用權重。ω。表不Θ x、0￥為〇時壓電 致動器陣列的分布系數。S P δ j表示接觸姿態角閾值，當接觸姿態角的絕對值大于接觸姿 態角閾值時手指和虛擬物體不接觸。
[0020] 步驟3根據壓電致動器陣列的平均振動強度以及振動強度分布，確定壓電致動器 陣列各振動單元的驅動電壓，從而產生分布式觸覺刺激。振動單元的控制電壓是頻率固